中科院科学家:真菌更喜欢从植物根部“揩油”,而非“吃糖”

澎湃新闻记者 吴跃伟

2017-06-08 19:39 来源:澎湃新闻

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在自然界,一些真菌靠寄生在植物身上来获取营养,求得温饱。它们之间可能是互利共生的,也可能相爱相杀,如病原真菌的寄生。它们像是人体内的肠道菌群,只不过不是细菌,而是真菌。
长期以来,人们一直以为,糖,尤其是葡萄糖,是植物供给这些真菌的主要营养物质。这已经被写进了教科书。
但教科书将被改写。最新发表在国际知名学术期刊《科学》(Science)的一项研究成果颠覆了人们的这一认知。研究人员证明植物提供给真菌的主要的含碳营养物质是脂肪酸,而非糖。
植物微生物共生。 王二涛 图
真菌更喜欢“揩油”
6月8日下午,标题为《植物转运脂质给真菌以维持共生或病原真菌的寄生》(Plants transfer lipids to sustain colonization by mutualistic mycorrhizal and parasitic fungi)的研究论文在线发表在《科学》上。研究人员提出证据,证明植物提供给真菌的主要的含碳营养物质是脂肪酸,而非糖。
该研究主要由姜伊娜博士后和博士研究生王万晓、谢秋瑾等人,在中国科学院上海植物生理生态研究所研究员王二涛指导下完成。
王二涛研究员形象地描述这一过程为,真菌更喜欢“揩油”,而非吃糖。他认为,这一发现或将改变人们关于植物真菌病害的应对之道,有望应用于绿色农业,减少农药的使用。菌根共生的应用有助于改善生态,也有助于培育、筛选新的作物品种,以提高有益真菌的共生。
几乎同一时间,《科学》期刊“背靠背”在线发表了另一篇类似的研究论文,英国一家实验室用不同研究手段,证明了同一结论。但其论文被接受的时间比王二涛的晚了大约一周。
王二涛表示,这是目前为止他投稿最顺利的一篇研究论文,投稿到《科学》期刊大约两个多月后即被接受。
80-90%的植物都建立菌根共生。 王二涛 图
共生VS寄生
8日下午,王二涛研究员告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),调查显示,超过80%的植物根部都共生有真菌,比如,水稻、玉米、小麦等作物。这些真菌被称为菌根真菌。植物每年把大约50亿吨光合作用后代谢的产物传递给菌根真菌,供其生长,并留存在土壤中。而菌根真菌回馈给植物氮、磷等物质,维持着整个生态系统的碳氮平衡。
王二涛说,土壤也是一个生态系统,菌根真菌产生的有机酸等物质,使土壤不板结。当它们存在时,植物的茁壮程度更胜一筹。此外,有观点认为,在漫长的进化历史中,真菌在植物从水生到陆生这一演化过程中发挥了重要作用。
但也有一些有害真菌可以侵袭植物,造成病害,比如小麦白粉病、水稻稻瘟病、玉米瘤黑粉病等真菌病害。
真菌到底从植物身上汲取了什么营养物质,如果调控这一过程(促进或者阻断),能否有利于农业生产?
王二涛带领的研究人员利用稳定同位素标定、分子生物学等手段,通过对有益的菌根真菌,以及有害的白粉菌的研究,解答了上述谜题。
最直接的证据
最直接的证据来自稳定同位素标定实验。
姜伊娜告诉澎湃新闻,他们以胡萝卜的根部和丛枝菌根真菌(Rhizophagus irregularis)为研究体系,一半寄生,一半不寄生。
丛枝菌根真菌是有益真菌的一种,它可以寄生在胡萝卜等植物的根部,在从植物获取营养的同时,也回馈给植物氮、磷等营养物质。
他们在实验体系中加入了用同位素C(13)标定过的甘油(一种脂肪酸),最终检测丛枝菌根真菌中的同位素成分。研究人员发现,在该实验体系的丛枝菌根真菌细胞中,也发现了C(13)标记的葡萄糖,但该真菌细胞中储存了更大量的脂肪酸。
通过对上述实验体系的研究,姜伊娜等人首次否定了糖是植物传递给菌根真菌主要碳源。他们惊讶地发现,植物传递给真菌的是脂肪酸。
人们常说的脂肪,其化学本质即脂肪酸。它有长长的由碳、氢元素组成的分子链,能量密度远高于糖类物质。
碳在菌根共生过程中的代谢与转运。 王二涛 图
终于找到其转运蛋白
而且植物传递给真菌的是一种特殊的脂肪酸——单酰基甘油(2-MAG)。
王二涛解释说,只有当真菌寄生到植物根部时,在二者接触的界面上,植物细胞中合成2-MAG的整个代谢通路被极度活化,相关基因表达被上调了上千倍,2-MAG被大量合成,并传递给真菌。这样的生理活动非同寻常,因为在其他植物细胞中,单酰基甘油合成量非常少。
更重要的是,姜伊娜等人找到了植物细胞转运单酰基甘油的蛋白——STR和STR2的蛋白二聚体。转运过程需要ATP的参与。通过基因突变方法,使该转运蛋白复合体失活时,丛枝菌根真菌在植物根部的寄生情况大为减少。
姜伊娜表示,此前,人们认为糖是植物给真菌的主要碳基营养物质时,也一直想要找到其转运蛋白,但都以失败告终。即使在植物的基因组中筛选这一蛋白的基因,也没有成功。但发现是脂肪酸时,这一问题却迎刃而解。
很多谜团待解,可望应用于绿色农业
王二涛表示,这一研究成果还可能应用在对抗病原真菌或真菌病害上。
研究人员使用模式植物拟南芥测试了白粉菌。通过遗传学手段,当抑制拟南芥合成脂肪酸的代谢途径,白粉菌对拟南芥的侵袭程度明显减轻。如果能够寻找到更精准地瞄准脂肪酸转运过程的抑制剂,或许可以更快应用于农业生产。
谜团还有很多,比如,不同的病原真菌侵袭植物时,是否需要不同的转运蛋白,这能否成为有效消除真菌病害的手段?
此外,在菌根真菌与植物根部接触的界面上,是不是不只植物细胞需要有转运蛋白,菌根真菌的细胞在接受植物传递的单酰基甘油时,是否也需要特定的蛋白?在植物根部土壤中加入适量的单酰基甘油,是否能促进菌根真菌的寄生?还有哪些手段可以促进菌根真菌的共生?
研究人员认为,他们开辟了一个新的研究领域。
但王二涛强调,这一研究成果是针对真菌,而非大豆根部共生的根瘤菌等细菌,根瘤菌从植物获取到的是氨基酸,植物的其他寄生细菌获取的是糖。
责任编辑:崔烜澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 真菌 植物 脂肪酸 葡萄糖

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