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证实40年前假设!植物脂肪酸诱使真菌相互共生,并是植物登陆的关键
来源:iPlants 发布时间:2021-05-24

大约在4.5亿年前,植物从水中到陆地上的迁移需要获得许多重要的新的特性。在1980年代,通过对化石的研究提出了一种假设,即植物-真菌共生可能起源于植物早期登陆时期。但是该假设一直未能得到证实。2021年5月21日,Science杂志以封面论文发表了来自法国图卢兹大学Pierre-Marc Delaux课题组等单位合作题为“Lipid exchanges drove the evolution of mutualism during plant terrestrialization”的研究论文。该研究表明原始陆地植物Marchantia paleacea(粗裂地钱)也能产生脂质,并转移到共生真菌上,并且该过程对于功能性共生是必不可少的,证明植物与真菌之间的脂质转移同样存在非维管植物中,这表明这一过程是在4.5亿年前就发展起来的,使得植物能在陆地上生存,并且在整个植物界都得到了保留。

植物与AM真菌的共生对陆地上的植物生长至关重要,以至于约80%的陆地植物都参与其中。植物允许AM真菌进入其根部,并在其细胞中形成丛枝的营养交换结构。其中真菌菌丝可以生长到距植物根部30 cm的土壤中,在那里可以吸取水,磷,氮和植物无法吸取的其他元素。长期以来,一直认为植物会通过光合作用向真菌提供碳水化合物,以换取真菌提供的资源。然而在2017年,来自中科院分子植物科学卓越创新王二涛团队和JIC中心的Giles E. D. Oldroyd团体同时背靠背在Science发文指出在丛枝菌根真菌与植物的共生过程中,脂肪酸是植物传递给菌根真菌的主要碳源形式。然而这种共生是否也存在在低级的非维管束植物中呢?

真菌定植在非维管植物Marchantia paleacea上(植物细胞壁,青色;  真菌,绿色; 植物叶绿体,红色)。叶绿体将大气中的碳(脂质)从植物转移到真菌,从而将其作为营养。真菌反过来又为植物提供了养分和水。

该研究为了研究上述现象的机制存在的时间,采用了以下方法:将Marchantia paleacea中的AM真菌相互作用的RNA测序基因表达数据与高等植物中的AM真菌相互作用的数据进行比较。研究表明,通过比较发现许多已知的高等植物共生基因的直系同源基因在AM真菌定殖后也可在古分枝杆菌中表达,从而证实了4.5亿年植物多样性的保存。这包括在高等植物中显示出负责从植物到真菌的脂质交换的基因,例如与脂质生物合成相关的基因,如RAM2和脂质转运蛋白STR1和STR2。通过大量的实验,该研究随后证明了M. paleacea确实在产生脂质,并且对于与AM真菌共生是必不可少的。

此外,该研究表明脂类生物合成和转移并不是AM真菌定殖后在M.palacea中发生的唯一进化上保守的过程。其中还涉及独脚金内酯生物合成基因,显示在整个植物界保守的反应。其中独脚金内酯是根际信号分子,在AM真菌的根部定植中起关键作用,并对植物登陆地有有作用。有趣的是,该研究还描述了一种ABC转运蛋白是保守的,该蛋白在所有高等植物中都具有直系同源物,并且在整个植物界的AM真菌定植下表达都有上调。但是功能仍然不是很清楚,可能是独脚金内酯的转运蛋白。

最后,该研究鉴定了脂质生物合成的转录调控两个高度保守的转录因子:WRI和RAD1。WRI在M.palacea中的过表达导致脂肪酸生物合成相关基因的表达增加,而WRI失活导致AM真菌定植严重受损,并表明这两个转录因子是专门进化以促进共生,是植物陆地化所必需的。进一步证实了证实了植物脂肪酸对于与AM真菌共生的重要性。


论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/372/6544/864


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