NMT作為生命科學(xué)底層核心技術(shù)，是建立活體創(chuàng)新科研平臺(tái)的技術(shù)。2005年~2020年，NMT已扎根中國(guó)15年。2020年，中國(guó)NMT銷往瑞士蘇黎世大學(xué)，正式打開(kāi)歐洲市場(chǎng)。

感謝本文一作，中國(guó)林科院亞熱帶林業(yè)研究所彭龍博士供稿

基本信息

主題：NMT發(fā)現(xiàn)腐生型共生真菌荷伯生氏斜蓋傘定殖可促楓香根吸鉀

期刊：Plant Cell and Environment

影響因子：6.362

研究使用平臺(tái)：NMT植物-微生物互作創(chuàng)新平臺(tái)

標(biāo)題：Facultative symbiosis with a saprotrophic soil fungus promotes potassium uptake in American sweetgum trees

作者：中國(guó)林科院亞熱帶林業(yè)研究所袁志林、彭龍、單曉亮、楊預(yù)展；法國(guó)農(nóng)科院Francis M. Martin

檢測(cè)離子/分子指標(biāo)

K⁺

檢測(cè)樣品

美國(guó)楓香根分生區(qū)（距根尖500 μm根表上的點(diǎn)）、伸長(zhǎng)區(qū)（距根尖15 mm根表上的點(diǎn)）、成熟區(qū)（距根尖30 mm根表上的點(diǎn)）

很多真菌具有靈活的營(yíng)養(yǎng)方式，它們能在不同的微環(huán)境下轉(zhuǎn)變生態(tài)位，具有腐生真菌與共生真菌的雙重特性。然而，腐生型共生菌促進(jìn)樹(shù)木生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)吸收的機(jī)制還不清楚。荷伯生氏斜蓋傘（Clitopilus hobsonii）最早在朽木上發(fā)現(xiàn)，是一種常見(jiàn)的腐生真菌。該菌能夠與多種樹(shù)木建立共生關(guān)系并促進(jìn)樹(shù)木的生長(zhǎng)。通過(guò)顯微觀察發(fā)現(xiàn)C. hobsonii能順利進(jìn)入根部皮層細(xì)胞并形成密集的類似于“微菌核”的共生結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有形成外生菌根結(jié)構(gòu)或是內(nèi)生真菌定殖結(jié)構(gòu)。通過(guò)檢測(cè)腐生型共生真菌-樹(shù)木共生體中N、P、K的含量，發(fā)現(xiàn)腐生型共生真菌不能影響樹(shù)木中的N和P的含量，但能顯著提高K含量。基因表達(dá)模式結(jié)果表明，樹(shù)木中的K吸收基因的表達(dá)在接菌前后并無(wú)顯著差異，而檢測(cè)到了3個(gè)真菌K吸收基因，其中ChACU和ChSKC基因能夠恢復(fù)K吸收缺陷的酵母突變體的生長(zhǎng)。值得注意的是，低鉀（0.05 mM）條件下能夠上調(diào)ChACU基因表達(dá)，使得C. hobsonii 在低鉀條件下更有益于樹(shù)木K吸收，并且提高樹(shù)木可溶性糖含量。這些結(jié)果從形態(tài)和營(yíng)養(yǎng)方面解析了腐生型共生真菌與樹(shù)木的相互作用，說(shuō)明低營(yíng)養(yǎng)條件更有益于腐生型共生菌與樹(shù)木間的互利共生。

離子/分子流實(shí)驗(yàn)處理

接種真菌和不接種真菌（對(duì)照）的美國(guó)楓香在低K⁺（LK，0.05 mM K⁺）條件下生長(zhǎng)28 d

研究利用非損傷微測(cè)技術(shù)（NMT）監(jiān)測(cè)和比較LK條件下非接種和接種真菌的幼苗根部的K⁺流速變化。接種真菌的根的分生區(qū)K⁺內(nèi)流速率顯著高于對(duì)照（圖1a）。在根伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)也觀察到類似的變化（圖1b, c）。這些結(jié)果表明，接種的根系吸收K⁺較多（分生區(qū)、伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)）（圖1d）。

圖1. 接種荷伯生氏斜蓋傘定殖對(duì)根系K⁺流速的影響

圖2. 植物根部分生區(qū)K⁺流速檢測(cè)圖

其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• 在美國(guó)楓香根的接種過(guò)程中，荷伯生氏斜蓋傘不能形成根內(nèi)哈蒂氏網(wǎng)和真菌菌套等外生菌根結(jié)構(gòu)。除冠細(xì)胞外，被接種的根尖的分生區(qū)、分化區(qū)和伸長(zhǎng)區(qū)有大量的微菌核樣結(jié)構(gòu)。

• 接種荷伯生氏斜蓋傘可促進(jìn)植物生長(zhǎng)、根系發(fā)育和K⁺的吸收。

• 接種的根中共鑒定了51個(gè)編碼K⁺轉(zhuǎn)運(yùn)體/通道蛋白的DEUs。特別值得關(guān)注的是ACU、HAK和SKC三個(gè)基因在定殖根的兩個(gè)階段具有非常高的表達(dá)量，但在對(duì)照組中幾乎沒(méi)有表達(dá)。

• 將含有ChACU、ChHAK或ChSKC的空pYES-2載體和pYES-2載體分別轉(zhuǎn)入營(yíng)養(yǎng)缺陷型酵母突變株R5421中（該突變株在低K⁺條件下無(wú)法生長(zhǎng)）。用對(duì)照載體（R5421-pYES2）轉(zhuǎn)化的R5421菌株在低K⁺（2 mM K⁺）水平下無(wú)法生長(zhǎng)，轉(zhuǎn)入ChACU、ChSKC、ChHAK轉(zhuǎn)運(yùn)體（R5421-ChACU）的酵母細(xì)胞在2 mM的K⁺濃度下能夠生長(zhǎng)。

• 荷伯生氏斜蓋傘在LK條件下對(duì)植物K⁺吸收的有益作用大于正常K⁺（NK，5 mM K⁺）條件。

• 在LK下ChACU和ChHAK的表達(dá)高于NK，而ChSKC在兩種條件下均有穩(wěn)定的表達(dá)。

• 與NK條件相比，自由狀態(tài)下的荷伯生氏斜蓋傘中ChACU和ChHAK在K⁺缺失或LK條件下均顯著上調(diào)，而ChSKC僅在K⁺缺失時(shí)被激活。

• LK條件下接種的植株與未接種的植株相比，可溶性碳水化合物含量顯著增加，而在NK條件下僅略有增加。

本文對(duì)荷伯生氏斜蓋傘和美國(guó)楓香之間兼性生物營(yíng)養(yǎng)相互作用下的形態(tài)和營(yíng)養(yǎng)方面進(jìn)行了研究。本文提供了一些證據(jù)表明這種共生關(guān)系的適應(yīng)性是由環(huán)境中K⁺的條件控制的。雖然在共生過(guò)程中，宿主K⁺營(yíng)養(yǎng)相關(guān)基因并沒(méi)有進(jìn)行廣泛的基因重編程，但真菌對(duì)K⁺濃度變化的生理響應(yīng)所進(jìn)行的調(diào)控和微調(diào)是有益生物營(yíng)養(yǎng)寄主顯著的特征。圖3說(shuō)明了在這種關(guān)聯(lián)中，LK誘導(dǎo)的碳和鉀的轉(zhuǎn)移的潛在好處。最近正在進(jìn)行的一個(gè)研究是對(duì)荷伯生氏斜蓋傘進(jìn)行全基因組測(cè)序，并對(duì)傘菌目中的相關(guān)物種（包括外生菌類、腐生菌類和內(nèi)生菌類）進(jìn)行比較基因組學(xué)研究，這項(xiàng)工作可幫助揭示導(dǎo)致兼性生物營(yíng)養(yǎng)的關(guān)鍵進(jìn)化軌跡，并確定更多屬于K⁺運(yùn)輸系統(tǒng)的候選基因，以進(jìn)行功能鑒定。綜上所述，本工作為開(kāi)展樹(shù)木與腐生共生真菌相互作用的詳細(xì)機(jī)理研究提供了新的切入點(diǎn)，荷伯生氏斜蓋傘還可以為克服土壤缺鉀條件下的植樹(shù)造林管理提供支撐。

圖3. 在K⁺限制條件下兼性生物營(yíng)養(yǎng)真菌誘導(dǎo)植物K⁺吸收的示意圖

測(cè)試液

0.01 mM KCl, 0.1 mM NaCl, 0.1 mM CaCl₂, pH 5.7

儀器采購(gòu)信息

• 據(jù)中關(guān)村NMT產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟了解，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所于2014年采購(gòu)了旭月公司的非損傷微測(cè)系統(tǒng)。

• 據(jù)中關(guān)村NMT產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟了解，北京林業(yè)大學(xué)于2009年采購(gòu)了美國(guó)揚(yáng)格公司的非損傷微測(cè)系統(tǒng)。

2021版《NMT論文集》已出版

關(guān)鍵詞：內(nèi)生菌；菌根真菌；RNA-seq；根-真菌共生；土壤腐生菌；可溶性糖類