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为什么沟通至关重要-甚至在植物和真菌之间

2019-06-19 14:56:14 • 来源：

剑桥大学的植物科学家发现植物蛋白在共生形成的早期就必不可少 - 这是植物和真菌之间的互利关系。共生能够显着提高植物从土壤中吸收磷酸盐等重要营养素的能力，并且了解所涉及的过程对于开发可持续的“生物解决方案”以提高粮食产量以满足日益增长的全球人口具有巨大潜力。

为什么沟通至关重要-甚至在植物和真菌之间

通过分析不与真菌形成共生关系的玉米突变株(称为Zmnope1)，科学家们设法找到了缺失的基因 - NOPE1 - 它编码了之前未在植物中描述过的转运蛋白分子。今天发表在“自然植物”杂志上的这项新研究表明，如果土壤中的有益真菌(称为丛枝菌根真菌(AM)真菌)能够对植物根系释放的信号做出正确反应并开始植物的过程，植物的NOPE1基因必须正常工作。形成这种至关重要的共生关系。

研究首席研究员兼研究组组长Uta Paszkowski博士说：“真菌和植物需要彼此作为共生伙伴，沟通对于寻找彼此至关重要。”“野生型植物会释放出能够共生真菌的东西，但如果植物由于缺少转运蛋白而无法与真菌交谈，真菌将无法应对。”

NOPE1基因编码称为N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)的分子的转运蛋白，它是甲壳质的构建块，几丁质是大多数真菌和许多信号分子的细胞壁的主要成分。先前已经在真菌病原体白色念珠菌中显示，当GlcNAc被转运到真菌细胞中时，它激活细胞信号传导。它增加了促进菌丝生长的基因的表达，导致与宿主植物的致病性相互作用。在这项新的研究中，AM真菌暴露于具有功能性NOPE1的水稻植物根系的渗出物具有类似的作用，导致真菌侵入植物的根部，并且还表达有助于它们附着于宿主植物细胞的毒力基因。

剑桥团队的工作现在提供了第一个证据，证明以前未知的植物GlcNAc转运蛋白也在这种关系的另一方起作用 - 在AM真菌植物根系定植的起始。显示野生型水稻根获得并释放GlcNAc，摄取明显依赖于NOPE1。他们鉴定的转运蛋白是GlcNAc在植物中发现的第一个质膜转运蛋白。

“这是有史以来第一种据报道植物与根际真菌之间不可或缺的植物蛋白，”Paszkowski说。“当植物根系和真菌在土壤中交换各种类型的化学信号时，共生就开始了。甚至在两种生物体发生物理接触之前，信号分子就会释放到根际 - 真菌和植物根部都可以进入的土壤区域。终身共生，所以这是一个重要的决定。“

长期以来已知存在植物和真菌之间的共生相互作用，但直到现在，对该过程的了解仅限于称为独脚金内酯的植物激素对真菌代谢和发育的刺激作用。通过与丛枝菌根真菌(AM)真菌的巧妙联系，植物通过增加根的表面积显着扩大其范围。真菌在植物根部建立并长出地下分支延伸，称为菌丝，促进土壤中矿物质的吸收。这种关系被称为共生，因为双方都受益：植物获得对通过真菌生长很重要的矿物质，真菌获得了从植物中生存所需的营养。

共生可以极大地影响野生和栽培系统中的植物性能。固定在这个地方，植物一旦用尽了它们下面的土壤中的矿物质就无法重新定位。这就是为什么农民依赖大量昂贵的肥料来确保其作物生长良好的原因。了解植物和真菌如何沟通以形成这些共生关系可能会导致开发更便宜，环保的方法，以确保作物获得所需的所有营养。

“通过更好地理解这种早期的沟通过程，我们可以找到管理共生关系的方法，例如为了从土壤中更快地向作物提供养分，”Paszkowski说。“在生长季节短的作物中，加快共生发展可以减少所需磷肥的数量。这将是一种更便宜，更可持续的种植作物的方式。”

管理这种生物肥料作物的自然过程可能是帮助世界不断增长的人口可持续发展的一种方法。目前用于将矿物质泵入土壤的高浓度化学肥料不仅对环境有害，而且价格昂贵。现在有可能开发出能够在低投入农业系统中更好地发挥作用的新作物。世界上较贫穷国家的小农可以更好地负担这些生物解决方案，从而获得良好的作物产量和家庭的良好收入，帮助他们摆脱贫困。

到2050年，全球人口估计将达到90亿，生产足够的粮食将成为本世纪最大的挑战之一。Paszkowski和她的团队是剑桥剑桥全球粮食安全倡议的成员，该倡议参与解决地方，国家和国际范围内的粮食安全问题。

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