近日，我校園藝學科板栗科研創新團隊在國際知名期刊New Phytologist在線發表了題為“Arbuscular mycorrhizal conserved genes are recruited for ectomycorrhizal symbiosis”的研究論文，揭示了板栗等物種外生菌根共生繼承了古老的叢枝菌根共生機制。該成果是植物菌根共生進化研究領域的重要發現之一，提升了木本植物外生菌根共生研究的理論水平，為利用根際微生物促進植物吸收水分和礦質營養，開發綠色栽培技術奠定了理論基礎。

我校植物科學技術學院園藝學科海外引進人才李虎臣教授、博士研究生葛月陽、博士后張智勇為論文共同第一作者，我校特聘教授Ton Bisseling院士和曹慶芹教授為論文共同通訊作者，秦嶺教授，博士后張昊琳、李茜以及實驗室多名研究生也參與了該項工作。本研究依托我校現代園藝學“全國高校黃大年式教師團隊”，得到了國家自然科學基金、北京市教委-市自然基金委聯合項目的支持。

據介紹，叢枝菌根（AM）通過真菌的外延菌絲和植物細胞內的叢枝結構幫助植物吸收礦質元素。AM共生保守基因已被招募到新進化的其它細胞內共生結構中，如蘭科菌根、杜鵑根類菌根和固氮根瘤等。與細胞內共生不同，在胞外共生體——外生菌根（ECM）中，真菌僅形成圍繞植物根的菌鞘，菌絲侵染細胞間形成哈蒂氏網。尚未有對ECM究竟是否招募AM保守基因的系統解析。團隊利用進化基因組學和轉錄組學對上述問題進行了解答。首先通過長期的野外調查確定了板栗、核桃、蘋果等物種的AM和ECM性狀，確定了板栗等為ECM特異植物。通過進化基因組學分析發現ECM特異物種保留了64%的AM保守基因；在這些物種中發生突變的基因有很大比例作用于細胞內共生結構。ECM特異宿主因為丟掉了該結構，所以伴隨了這些基因的突變（圖1）。相反地，64%的AM保守基因得以保留，證明這些物種面臨著某種選擇性壓力保留了它們。

圖1. AM保守基因在ECM宿主中的存在情況。（a）ECM宿主分布在24個目中。

（b）從殼斗目中鑒定了4個ECM特異宿主，以及AM保守基因在ECM特異宿主基因組中的存在情況。

在板栗成熟ECM轉錄組中，21%被保留的基因中在ECM上調，而在莖、葉、花、果實等中均不表達，該特異性預示了ECM作為選擇性壓力迫使板栗等招募這些古老的AM保守基因用于建立共生關系。研究團隊選擇了一個脂肪酸合成基因RAM2證實了該選擇性壓力，同時探究了這些基因是如何從AM被招募到ECM共生的（圖2）。

圖2. AM保守的OGs參與ECM共生。(a)在板栗ECM菌根中，AM保守基因表達上調。

(b) RAM2進化樹。(c) 35S::CmRAM2-1/2/3互補叢枝表型。(d)和(e) CmRAM2-2pro::GUS 

(d)和CmRAM2-3pro::GUS (e)的表達模式。(f)ECM共生界面積累脂肪酸。

板栗對貧瘠干旱的山區具有良好的適應性。ECM在幫助板栗獲取水分和養分中發揮了重要的作用。團隊的研究結果表明ECM繼承了AM共生機制，AM可以共生于水稻、玉米等多種作物，如何提高AM共生效率已解析的較為透徹。借鑒這些方法提高ECM共生效率，可以幫助板栗等ECM宿主植物更高效地利用水分和養分。同時該進化研究表明ECM性狀在植物界是獨立進化獲得的，可能由數個關鍵基因或途徑來控制共生。

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