与菌根真菌的共生为植物提供了更多的稀缺资源

与菌根真菌的共生为植物提供了更多的稀缺资源。LMU研究人员最近发现了一种机制，可以让宿主植物控制共生形成的程度。从谷物到树木：超过80%的陆生植物与丛枝菌根真菌共生。真菌在根部定殖，并为宿主提供无机营养素 - 主要是磷酸盐 - 否则植物难以接近。作为回报，植物为其真菌客人提供富含能量的碳水化合物。这种类型的共生是在4亿多年前发展起来的，对许多植物物种的生存能力来说是不可或缺的。为了使真菌能够为宿主提供营养，它们的菌丝必须首先进入根部，在那里它们形成分枝的树状结构，称为丛枝(来自拉丁语arbuscula =灌木)。

然后，丛枝将真菌从周围土壤中吸收的矿物质释放到植物中。LMU生物学家Caroline Gutjahr解释说：“在植物细胞内成功形成这种外来结构需要对根细胞代谢进行根本性的重新配置，并且必须受到植物的严格控制”。Gutjahr与她的研究小组成员一起，最近确定了这一过程中的一个关键要素。该研究结果现已发表在Current Biology期刊上。

也许并不奇怪，真菌对根的定殖程度取决于植物的生理状态，包括其对共生体提供的营养物的实际需求水平。因此，如果植物已经获得足够的磷酸盐供应，则积极地抑制了丛枝的形成。“然而，到目前为止，还没有任何分子机制能够根据植物的生理需要控制丛枝形成的程度，”Gutjahr说。

分子关系

为了确定宿主用于控制丛枝形成的机制，研究人员将重点放在植物莲藕(一种与豆类，豌豆和扁豆有关的豆科植物)的突变株上，其中该过程受到干扰。“在这种菌株中，我们将受突变影响的基因鉴定为RAM1，其产物是激活其他基因所必需的，因此可用于生产它们编码的蛋白质”，Gutjahr说。“反过来，很可能需要这些蛋白质来进行丛枝形成。它们的精确功能仍有待于即将开展的项目。”

RAM1基因本身在丛枝形成期间被强烈激活，因此负责其自身激活的机制非常令人感兴趣。Gutjahr和她的同事现在已经证明，需要两种不同的调节蛋白来诱导该基因。第一个是转录因子CYCLOPS，已知其在根共生的调节中起关键作用。第二种蛋白质叫做DELLA，虽然在另一种情况下也很熟悉。DELLA形成信号转导途径的一部分，该途径被称为赤霉素的植物激素激活，这对控制植物生理和生长至关重要。“令我们惊讶的是，我们发现，在RAM1激活的情况下，CYCLOPS和DELLA直接相互作用，”Gutjahr的博士生Priya Pimprikar说道。小组和新研究的第一作者。“通过这种相互作用，我们相信我们首次确定了一个中心节点，其中一方面与共生相关的信息和另一方面的植物生理学收敛，从而使植物能够确定根据目前对磷酸盐的需求进行根系定殖，例如“，Gutjahr说。

减少对稀缺资源的需求

植物和菌根真菌之间的共生也具有相当大的经济和生态意义，因为集约化养殖每年需要大量的人工肥料来维持土壤的肥力。这些肥料含有矿物磷酸盐，这些磷酸盐只有有限数量，有些估计表明这些化合物的储量可能会在未来100年内耗尽。“丛枝菌根可以帮助减少在农业中应用磷酸盐的需求，”Gutjahr指出。“更好地了解丛枝形成的机制是植物育种工作成功提高这种共生效率的重要前提。”