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亞林所、北林：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
NMT作為生命科學(xué)底層核心技術(shù)，是建立活體創(chuàng)新科研平臺的技術(shù)。2005年~2020年，NMT已扎根中國15年。2020年，中國NMT銷往瑞士蘇黎世大學(xué)，正式打開歐洲市場。
感謝本文一作，中國林科院亞熱帶林業(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：NMT植物-微生物互作創(chuàng)新平臺
標(biāo)題：Facultative symbiosis with a saprotrophic soil fungus promotes potassium uptake in American sweetgum trees
作者：中國林科院亞熱帶林業(yè)研究所袁志林、彭龍、單曉亮、楊預(yù)展；法國農(nóng)科院Francis M. Martin
檢測離子/分子指標(biāo)
K+
檢測樣品
美國楓香根分生區(qū)（距根尖500 μm根表上的點）、伸長區(qū)（距根尖15 mm根表上的點）、成熟區(qū)（距根尖30 mm根表上的點）
很多真菌具有靈活的營養(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，腐生型共生菌促進樹木生長和營養(yǎng)吸收的機制還不清楚。荷伯生氏斜蓋傘（Clitopilus hobsonii）最早在朽木上發(fā)現(xiàn)，是一種常見的腐生真菌。該菌能夠與多種樹木建立共生關(guān)系并促進樹木的生長。通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)C. hobsonii能順利進入根部皮層細(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)。通過檢測腐生型共生真菌-樹木共生體中N、P、K的含量，發(fā)現(xiàn)腐生型共生真菌不能影響樹木中的N和P的含量，但能顯著提高K含量?；虮磉_(dá)模式結(jié)果表明，樹木中的K吸收基因的表達(dá)在接菌前后并無顯著差異，而檢測到了3個真菌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。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木K吸收，并且提高樹木可溶性糖含量。這些結(jié)果從形態(tài)和營養(yǎng)方面解析了腐生型共生真菌與樹木的相互作用，說明低營養(yǎng)條件更有益于腐生型共生菌與樹木間的互利共生。
離子/分子流實驗處理
接種真菌和不接種真菌（對照）的美國楓香在低K+（LK，0.05 mM K+）條件下生長28 d
研究利用非損傷微測技術(shù)（NMT）監(jiān)測和比較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)流速率顯著高于對照（圖1a）。在根伸長區(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)、伸長區(qū)和成熟區(qū)）（圖1d）。
圖1. 接種荷伯生氏斜蓋傘定殖對根系K+流速的影響
圖2. 植物根部分生區(qū)K+流速檢測圖
其他實驗結(jié)果
在美國楓香根的接種過程中，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植物生長、根系發(fā)育和K+的吸收。
接種的根中共鑒定了51個編碼K+轉(zhuǎn)運體/通道蛋白的DEUs。特別值得關(guān)注的是ACU、HAK和SKC三個基因在定殖根的兩個階段具有非常高的表達(dá)量，但在對照組中幾乎沒有表達(dá)。
將含有ChACU、ChHAK或ChSKC的空pYES-2載體和pYES-2載體分別轉(zhuǎn)入營養(yǎng)缺陷型酵母突變株R5421中（該突變株在低K+條件下無法生長）。用對照載體（R5421-pYES2）轉(zhuǎn)化的R5421菌株在低K+（2 mM K+）水平下無法生長，轉(zhuǎn)入ChACU、ChSKC、ChHAK轉(zhuǎn)運體（R5421-ChACU）的酵母細(xì)胞在2 mM的K+濃度下能夠生長。
荷伯生氏斜蓋傘在LK條件下對植物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。
本文對荷伯生氏斜蓋傘和美國楓香之間兼性生物營養(yǎng)相互作用下的形態(tài)和營養(yǎng)方面進行了研究。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。雖然在共生過程中，宿主K+營養(yǎng)相關(guān)基因并沒有進行廣泛的基因重編程，但真菌對K+濃度變化的生理響應(yīng)所進行的調(diào)控和微調(diào)是有益生物營養(yǎng)寄主顯著的特征。圖3說明了在這種關(guān)聯(lián)中，LK誘導(dǎo)的碳和鉀的轉(zhuǎn)移的潛在好處。最近正在進行的一個研究是對荷伯生氏斜蓋傘進行全基因組測序，并對傘菌目中的相關(guān)物種（包括外生菌類、腐生菌類和內(nèi)生菌類）進行比較基因組學(xué)研究，這項工作可幫助揭示導(dǎo)致兼性生物營養(yǎng)的關(guān)鍵進化軌跡，并確定更多屬于K+運輸系統(tǒng)的候選基因，以進行功能鑒定。綜上所述，本工作為開展樹木與腐生共生真菌相互作用的詳細(xì)機理研究提供了新的切入點，荷伯生氏斜蓋傘還可以為克服土壤缺鉀條件下的植樹造林管理提供支撐。
圖3. 在K+限制條件下兼性生物營養(yǎng)真菌誘導(dǎo)植物K+吸收的示意圖
測試液
0.01 mM KCl, 0.1 mM NaCl, 0.1 mM CaCl2, pH 5.7
儀器采購信息
據(jù)中關(guān)村NMT產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟了解，中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所于2014年采購了旭月公司的非損傷微測系統(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年采購了美國揚格公司的非損傷微測系統(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