近日，我校園藝學(xué)科板栗科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊New Phytologist在線發(fā)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(jī)制。該成果是植物菌根共生進(jìn)化研究領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)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(jìn)植物吸收水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，開(kāi)發(fā)綠色栽培技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

我校植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院園藝學(xué)科海外引進(jìn)人才李虎臣教授、博士研究生葛月陽(yáng)、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(shí)驗(yàn)室多名研究生也參與了該項(xiàng)工作。本研究依托我校現(xiàn)代園藝學(xué)“全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市教委-市自然基金委聯(lián)合項(xiàng)目的支持。

據(jù)介紹，叢枝菌根（AM）通過(guò)真菌的外延菌絲和植物細(xì)胞內(nèi)的叢枝結(jié)構(gòu)幫助植物吸收礦質(zhì)元素。AM共生保守基因已被招募到新進(jìn)化的其它細(xì)胞內(nèi)共生結(jié)構(gòu)中，如蘭科菌根、杜鵑根類(lèi)菌根和固氮根瘤等。與細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞間形成哈蒂氏網(wǎng)。尚未有對(duì)ECM究竟是否招募AM保守基因的系統(tǒng)解析。團(tuán)隊(duì)利用進(jìn)化基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了解答。首先通過(guò)長(zhǎng)期的野外調(diào)查確定了板栗、核桃、蘋(píng)果等物種的AM和ECM性狀，確定了板栗等為ECM特異植物。通過(guò)進(jìn)化基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)ECM特異物種保留了64%的AM保守基因；在這些物種中發(fā)生突變的基因有很大比例作用于細(xì)胞內(nèi)共生結(jié)構(gòu)。ECM特異宿主因?yàn)閬G掉了該結(jié)構(gòu)，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(gè)目中。

（b）從殼斗目中鑒定了4個(gè)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(zhuǎn)錄組中，21%被保留的基因中在ECM上調(diào)，而在莖、葉、花、果實(shí)等中均不表達(dá)，該特異性預(yù)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(guān)系。研究團(tuán)隊(duì)選擇了一個(gè)脂肪酸合成基因RAM2證實(shí)了該選擇性壓力，同時(shí)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(dá)上調(diào)。

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

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

板栗對(duì)貧瘠干旱的山區(qū)具有良好的適應(yīng)性。ECM在幫助板栗獲取水分和養(yǎng)分中發(fā)揮了重要的作用。團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明ECM繼承了AM共生機(jī)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(yǎng)分。同時(shí)該進(jìn)化研究表明ECM性狀在植物界是獨(dú)立進(jìn)化獲得的，可能由數(shù)個(gè)關(guān)鍵基因或途徑來(lái)控制共生。

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