如何清除真菌成为植物最好的朋友

Glomeromycota是一种古老的真菌谱系，与根有共生关系，可追溯到最近的植物中近4.2亿年。世界上超过三分之二的植物依靠这种土壤栖息的共生真菌生存，包括小麦，木薯和大米等重要农作物。对Rhizophagus irregularis基因组的分析表明，这种无性真菌不像研究人员预期的那样改变其基因。此外，正如在许多共生生物中观察到的那样，它已经扩展了其细胞间通讯基因和磷捕获基因的范围，而不是丢失了大量的代谢基因。

由法国国家农业研究所(INRA)领导的一个小组，包括能源部联合基因组研究所(DOE JGI)的研究人员在11月25日在线发表的一篇论文中报道了R. irregularis(以前称为Glomus intraradices)的完整基因组。期刊“美国国家科学院院刊”(PNAS http://bit.ly/PNAS-Glomus)。该真菌是Glomeromycota家族的成员，并且经常殖民许多对农业和林业重要的植物。Glomeromycota，也称为丛枝菌根真菌(AMF)，在磷和碳如何在大气和陆地生态系统中循环方面发挥着至关重要的作用，但究竟如何才能完成这项重要工作尚不清楚。

“这是丛枝菌根的第一个测序基因组，这种类型在地球上占主导地位，”Igor Grigoriev说，他是该论文的高级作者之一，也是DOE JGI真菌基因组学项目的负责人。

通过有序的丛枝菌根真菌是一条漫长的艰难道路。2006年，在DOE JGI对第一个树木基因组毛茛(Populus trichocarpa)进行测序后不久，很明显它需要一个村庄(其他生物)来养一棵白杨树。研究人员橡树岭国家实验室的杰里·图斯坎和INRA的弗朗西斯·马丁建议对杨树相关真菌和细菌的组装进行测序，以便为多年生植物生长，生态系统功能和植物微生物相互作用的研究提供信息。这篇长篇文章在New Phytologist的早期出版物中有所描述。Rhizophagus irregularis，是由DOE JGI释放的下一个，它遵循外生菌根真菌共生体Laccaria，杨树锈病病原体Melampsora，以及数十种细菌基因组。

作为真菌进化的遗物，AMF早期从其他形式的真菌中分化。它们在根细胞中形成密集的分支结构簇(称为丛枝状结构)，就像一个紧密的，多指的手柄。丛枝是植物和真菌之间营养交换的主要途径。由于无法独立生活，AMF完全依赖植物寄主来获取食物所需的糖。他们仔细地建立了与寄主植物的关系，使它们保持活力，同时减少它们的营养。

但AMF也擅长从土壤中捕获磷并使其可供宿主使用。磷是细胞功能的关键元素，否则难以从土壤中提取，并且通常是植物生长速度的限制因素。

科学家们推测，这些真菌所带来的好处使得古代植物能够在大约2.5亿至5亿年前的古生代时期进化。随着时间的推移，植物适应了它们基本无根的原始形态，并发展出更深更强的根，以利用地下AMF喂养它们的营养。作为交换，植物提供了真菌无法获得的营养。

对R. irregularis基因组的分析也揭示了几个令人惊讶的细节。研究小组发现，基因组是最大的真菌基因组测序之一，重量为1.53亿碱基对(Mb)。为了比较，由DOE JGI测序和发表的蘑菇(双孢蘑菇)具有约30Mb的基因组。通过几代，R. irregularis的基因组的部分被重复，被重复的转座因子侵入，被称为“跳跃基因”。与许多其他真菌不同，R。irregularis似乎缺乏可以保持这些转座因子不受影响的机制。

“在它的基因组的扩展部分中，R。irregularis有几个磷代谢基因，这可能是它对磷的巨大需求的原因，”弗朗西斯·马丁说，他是该论文的高级作者之一，也是卓越集群的领导者。 ，INRA的树木和森林生态系统生物学高级研究(ARBRE)(http://mycor.nancy.inra.fr/ARBRE/)。“它们还具有丰富的基因，通过信号蛋白在细胞之间进行通讯，包括共生期间高度表达的小分泌效应物。植物根系发出了大量的化学信号，这些基因可能有助于AMF与植物相互作用，从而吸收植物泵出的信号。

研究小组的另一个惊喜是控制新陈代谢的基因。“强制寄生虫通常会破坏新陈代谢，在关键代谢途径中遗漏一些基因，使其依赖宿主，”格里戈里耶夫说。“我们没有在这里找到这样的基因。” R. irregularis保留了它的代谢机制的，不像其他许多专寄生生物。它导致双重生命，从土壤中提取矿物质，同时仍与其寄主植物和谐共存。

尽管它具有近30,000个蛋白质编码基因，但由于与植物密切相关，R。irregularis还失去了数百个基因。例如，研究人员推测，它不能使其他植物相互作用的真菌释放出大部分毒素，以避免引起寄主植物的免疫系统。它还抛弃了大部分用于分解植物细胞壁的基因，这是一种自由生活的真菌的关键能力，可以捕获土壤中的死有机物质。

区分土壤真菌和植物之间的复杂关系可能会对改善植物生物量的生物燃料生产产生影响。“通过对这种和其他菌根基因组的分析，我们可以帮助更好地了解对生物能源植物可持续增长至关重要的相互作用和条件，以及主要作物，这是帮助养活世界的先决条件，”马丁说。