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ISME:菌根真菌菌丝分泌物中的果糖作为信号激发解磷细菌活化植酸

已有 5794 次阅读 2018-12-11 08:38 |个人分类:读文献|系统分类:科研笔记|关键词:学者

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自然界中,植物、细菌和真菌共同存在于土壤中,在共同进化的过程中,彼此之间必然相互影响,协同进化。已有大量研究工作报道指出植物与其根际细菌、植物与菌根真菌两两互作的模式以及细菌影响菌根真菌的模式,比如土壤细菌组会抑制菌根真菌的活力(Svenningsen et al., 2018)、某些细菌有助于菌根真菌在根表的定殖等。而关于菌根真菌影响细菌的报道还较少!

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另一方面,以往研究只考虑到根系的一些变化是不够准确和全面的。当菌根形成后,植物根际的内涵与非菌根植物相比其范围有所扩大,不仅包括受根系分泌物影响的土壤区域,也包括根外菌丝延伸生长的土壤区域和受其影响的土壤团聚体的区域。因此,将受植物根系和菌根真菌双重影响的土壤区域称为“菌根际”(mycorrhizosphere),而将单独只受菌根根外菌丝影响的土壤微域称为“菌丝际”(hyphosphere)(Fogel, 1988; Li and Cao, 1990; Linderman, 1988;Rambelli, 1973)。

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关于菌丝际的研究也有很多,主要是菌丝如何通过自身生理代谢高效获取土壤磷元素,以传递给植物宿主,比如分泌质子、有机酸,磷酸酶,当然主要还是由于菌丝的生长极大扩展了根系吸收磷元素的表面积。不过,最近研究指出,菌根真菌并不能分泌磷酸酶,那么土壤中含量丰富的有机磷源是如何被菌丝活化的就成为一个问题,而解磷菌在菌丝觅食磷元素的过程中可能起到关键作用。

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中国农大冯顾老师课题组一直致力于该方面的研究,也取得很多成果。这张模式图简要的介绍了其主要研究成果。首先,菌根真菌会向菌丝际分泌各种代谢产物,有研究报道,这些分泌物主要包括糖类,有机酸类,氨基酸类等。菌丝会通过这些分泌物招募解磷菌在菌丝表面定殖,刺激其生长,提高其磷酸酶分泌能力,从而强化了解磷菌解磷功能。当然,解磷菌也会反过来刺激菌丝生长,但不影响菌丝上磷转运蛋白的表达。基于以上内容,他们进一步提出问题,菌丝如何刺激解磷菌提高解磷能力。

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当然,菌丝分泌物作为碳源,显然会促进解磷菌的生长。而这篇文章的目的是探求这些分泌物是否也同时作为信号物质在起作用,如果是,哪一种分泌物在起作用?通过查阅文献,有三类糖被研究报道具有信号物质的作用,分别是葡萄糖、果糖和海藻糖,那么菌丝分泌物里这三种糖类的浓度如何?是否具有信号物质的作用,以刺激解磷菌的解磷能力?该文章围绕这个问题展开讨论。

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该文章分为五个试验部分,这里分别介绍,实验一,这里使用了两分隔培养皿的试验体系,主要设计见图示,除此之外,使用离体胡萝卜根和菌根真菌孢子经过抗生素灭菌,从而保证体系严格无菌,也确保了该实验的严谨性。

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通过对菌丝室液体培养基菌丝及其分泌物的收集和测定,发现菌丝内含有这三种糖,而分泌物中主要是果糖和葡萄糖。该实验定量了菌丝内及菌丝分泌物中糖类物质的浓度。

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试验二主要是研究了菌丝对解磷菌的影响,实验设计与试验一类似,如图所示。其中很重要的方法是基于已经全基因组测序的解磷菌。通过软件分析预测研究性状相关基因,测定其表达。

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通过向菌丝室液体培养基内添加唯一植酸磷源,发现菌丝的存在会显著增加菌丝室内酸性/碱性磷酸酶的活性。与之对应的,植酸浓度下降,而无机磷浓度也降低,这可能是由于菌丝迅速的吸收了活化出的无机磷源。

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虽然菌丝的存在显著增加了菌丝室内解磷菌的解磷能力,也提高了磷酸酶分泌系统基因的表达(c,d)。但该试验中,菌丝存在并未影响解磷菌的细胞分裂基因的表达,意味着在该实验中,没有影响解磷菌群体数量的增殖,这可能是由于72小时的试验时间过于短暂,有研究指出2-4周的时间,菌丝存在显著促进了解磷菌的生长。

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在加入解磷菌的72小时内,菌丝存在6小时内显著提高了果糖转运蛋白基因的表达,而葡萄糖转运蛋白基因的表达却相反,前6小时内很低,而后逐渐提高。这可能是分解代谢物阻遏导致的,说明解磷菌优先利用果糖,同时抑制葡萄糖的吸收,待果糖消耗到一定程度后才开始吸收葡萄糖作为能源物质。有意思的是,解磷菌磷酸酶合成基因的表达与果糖转运蛋白基因的表达,看起来有很明显的相关性。这都体现了果糖这一菌丝分泌物的重要性。很可能是菌丝分泌的果糖优先被解磷菌吸收利用,诱导了解磷菌磷酸酶基因的表达。

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接下来,我先讲实验四,看到了果糖和葡萄糖的不同试验结果,接下来就去掉菌丝,直接向解磷菌里添加果糖或者葡糖糖,验证实验二的试验结果。同时还设置了不同的添加浓度。结果发现,只有达到1 mM的浓度时,果糖和葡萄糖才促进了解磷菌的生长。而观察培养基里磷酸酶活性则发现,添加果糖至100 uM或更高时,培养基内磷酸酶活性显著提高,而果糖则不论多大的添加浓度,都不会诱导解磷菌磷酸酶的产生。

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选取2个试验取样点的结果进行相关性分析发现,解磷菌果糖转运蛋白基因的表达和磷酸酶基因的表达有着显著的相关性。而葡萄糖则没有。以上结果都表明,菌丝分泌的果糖,在分泌到生长有解磷菌的生长介质中时,作为信号物质,会迅速诱导解磷菌磷酸酶合成及分泌基因的表达,而作为能源促进解磷菌生长的作用则很弱。

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然后又通过植物体系进行验证,试验设计如图所示。

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结果表明,菌丝的存在会显著提高磷酸酶合成基因的表达,但只显著提高了菌丝际解磷菌果糖转运蛋白基因的表达,与之前试验结果相符。同时还发现,解磷菌的存在也会增加菌丝磷转运蛋白基因和PolyP合成基因的表达

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  • 菌根真菌菌丝分泌葡萄糖、果糖以及少量海藻糖
  • 菌丝存在显著提高解磷菌磷酸酶合成及分泌系统基因的表达
  • 分别向培养有解磷菌的培养基中添加果糖和葡萄糖,发现果糖可以短时间提高解磷菌磷酸酶基因的表达,且与果糖转运蛋白基因表达呈显著正相关
  • 解磷细菌的存在可以提高菌丝表面高亲和力磷转运蛋白基因及菌丝内PolyP合成基因的表达水平

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  • 根系招募的菌群对即将到来的菌根真菌侵染是否有显著的影响,抑制or促进?不同基因型植物间该影响是否有差异?若有差异,是否存在植物的主动调控机制?
  • 一旦菌根共生体建立,植物根系细菌组发生何种变化?若有变化,是否朝着有益于菌根共生体的方向变化?是否存在植物的主动调控机制?

Zhang, L., Feng, G., and Declerck, S. (2018). Signal beyond nutrient, fructose, exuded by an arbuscular mycorrhizal fungus triggers phytate mineralization by a phosphate solubilizing bacterium. ISME J. 12, 2339-2351.

http://dx.doi.org/10.1038/s41396-018-0171-4

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