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消息!速看!科學(xué)家破解地下王國(guó)的暗網(wǎng)交易密碼

時(shí)間:2022-06-24 06:28:10    來(lái)源:科普中國(guó)網(wǎng)    

大家聽(tīng)過(guò)倩女幽魂的故事嗎?在這個(gè)故事中,有一只千年樹妖盤踞古蘭寺,招攬了聶小倩等一幫侍女,樹妖為她們提供庇護(hù),而作為回報(bào),聶小倩等一幫侍女則需要幫樹妖做事。

你知道嗎,這看似魔幻的劇情,在自然界卻存在類似的交易。自然界的樹木就像樹妖姥姥一樣,為了更好地吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),便在它的根部聚集了一批微生物群落。不過(guò),自然界中的“樹妖”和微生物之間都是善意的合作,不僅不會(huì)危害他人,還能產(chǎn)出一些有益的真菌。


(資料圖片僅供參考)

樹妖雖然神通廣大,卻需要聶小倩們的幫助。同樣,樹木的根部尤其是楊樹的根部,也常常依靠地下的真菌和細(xì)菌,通過(guò)它們來(lái)吸收水分和氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

聽(tīng)到這里你是不是也對(duì)這種“交易”充滿了好奇?下面就一起來(lái)一探究竟吧~

菌與根如何建立合作?

樹根與地下微生物群落會(huì)建立明確的分工,不同的菌群發(fā)揮不同的作用。比如,固氮菌擅長(zhǎng)從空氣中固定氮元素。

這些微生物群落把吸收來(lái)的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)移交給大樹,作為回報(bào),樹根會(huì)為地下的微生物群落提供庇護(hù),也會(huì)分泌一些糖類來(lái)作為它們的食物。

這些微生物群落就是自然界中的菌根,我們熟悉的“明菌”——松露、松茸、牛肝菌等也是其中一類。這些明菌的形成首先需要與特定的植物根系形成菌根,菌絲一端深入植物根系,而另一端則延伸到土壤中。

菌足和菌根

圖片來(lái)源:veer

雖然它們的合作早已被人知曉,但是這些菌根的具體形成機(jī)制還不明確,也就是說(shuō)我們并不清楚菌與根是如何建立合作機(jī)制的。

為了摸清這場(chǎng)“地下交易”是如何進(jìn)行的,蘭州大學(xué)張鳳青年研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期跟蹤、研究楊樹菌根的形成,期望弄清楚這些地下“聶小倩”是如何與樹妖取得聯(lián)系、如何吸取“陽(yáng)氣”(水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì))、又是如何把陽(yáng)氣移交給樹妖的。

終于,經(jīng)過(guò)不懈的努力,張鳳青年研究員團(tuán)隊(duì)與法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所(INRAE)Francis Martin課題組合作,在New Phytologist(新植物學(xué)家)期刊上發(fā)表了一篇論文,這篇名為“The ectomycorrhizal basidiomycete Laccaria bicolor releases a GH28 polygalacturonase that plays a key role in symbiosis establishment”的文章最終解決了上述困惑。

張鳳課題組以楊樹為研究對(duì)象,探討楊樹的外生菌根與宿主植物的相互作用機(jī)制,發(fā)現(xiàn)菌根真菌可以通過(guò)存在于地下的龐大網(wǎng)絡(luò)與楊樹根部建立聯(lián)系。

那么外生根菌的菌絲是如何進(jìn)入植物根部的?或者說(shuō)它們進(jìn)行地下交易的密碼是什么呢?

雖然菌絲和植物都有合作需求,但是還是得解決如何“接頭”的問(wèn)題。真菌菌絲與植物接頭的地方位于地下的根部。然而,菌絲要想成功打入植物的根部,可不是一件容易的事情:一方面要突破植物的細(xì)胞壁,另一方面又要最低限度地引起植物的免疫反應(yīng)。

于是外生菌根真菌選擇了一個(gè)折中的方式——并不入侵植物的細(xì)胞內(nèi)部,只是存在于植物細(xì)胞間質(zhì),形成哈式網(wǎng)結(jié)構(gòu),即雙方進(jìn)行‘交易’的場(chǎng)所。

這個(gè)哈氏網(wǎng)類似于菌根和根部進(jìn)行地下秘密交易的網(wǎng)絡(luò)通道。但是哈式網(wǎng)的形成首先面對(duì)的難題就是細(xì)胞壁,只有突破細(xì)胞壁這一關(guān)才能到達(dá)細(xì)胞間質(zhì)。

高等植物的細(xì)胞壁主要由果膠、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等相互交聯(lián),類似于“交聯(lián)劑”的果膠可以維持細(xì)胞的形態(tài)、增強(qiáng)細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度、參與細(xì)胞的生理活動(dòng)。

之前的研究認(rèn)為,真菌菌絲生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的壓力可以完全拆掉細(xì)胞壁,這種進(jìn)入方式比較“暴力”,后果是容易引起細(xì)胞的排斥。

但是隨著分子生物的發(fā)展,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),菌根形成過(guò)程中,借助一個(gè)得力助手——細(xì)胞壁水解酶(PCWDEs),就可以用比較溫和的方式進(jìn)入細(xì)胞壁。而其中的多聚半乳糖醛酸酶(內(nèi)切酶)就很有可能是菌絲突破樹根細(xì)胞壁的關(guān)鍵幫手。

菌絲體

圖片來(lái)源:veer

先前的研究證明,多聚半乳糖醛酸酶在許多病原真菌突破(消化降解)植物細(xì)胞壁的過(guò)程中起著重要的作用,只不過(guò)這一研究結(jié)果還沒(méi)有在菌根中得到驗(yàn)證。

那么要如何科學(xué)的證明內(nèi)切酶參與了菌絲突破細(xì)胞壁的過(guò)程,并在其中發(fā)揮了重要作用?

這就要看菌根形成過(guò)程中內(nèi)切酶的表達(dá)(活躍程度)了。如果在菌絲進(jìn)入細(xì)胞壁的過(guò)程中,該酶比較活躍,具有較好的表達(dá),那么就可以證實(shí)它在其中發(fā)揮了作用。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在外生菌根真菌和楊樹形成菌根的過(guò)程中,內(nèi)切酶的反應(yīng)比較活躍,和在菌絲上的表達(dá)量相比,內(nèi)切酶在進(jìn)入細(xì)胞壁的過(guò)程中上調(diào)(增加了)2.3倍。

這就從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了內(nèi)切酶是菌絲的關(guān)鍵幫手,它就像是一位談判高手,和細(xì)胞壁進(jìn)行交涉,說(shuō)服細(xì)胞壁軟化,讓菌絲可以進(jìn)入楊樹根部。

具體過(guò)程就是內(nèi)切酶幫助修飾楊樹細(xì)胞壁的果膠,使得細(xì)胞壁軟化,類似于打一個(gè)隧道讓菌絲能夠較為輕松地進(jìn)入細(xì)胞壁。這種模式比拆除細(xì)胞壁的方式更溫和。

地下暗網(wǎng)的交易過(guò)程

前面從正面驗(yàn)證了菌絲借助內(nèi)切酶打入植物細(xì)胞的過(guò)程。但是,這個(gè)過(guò)程中是否有受到其他因素影響呢?為了理清這一問(wèn)題,我們還需要從反面驗(yàn)證,即如果沒(méi)有這個(gè)內(nèi)切酶,真菌的菌絲就無(wú)法進(jìn)入細(xì)胞壁。這樣我們才能得到一個(gè)更完整的實(shí)驗(yàn)邏輯。

具體要如何實(shí)現(xiàn)呢?這需要借助一個(gè)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)——RNA干擾實(shí)驗(yàn)。在RNA干擾實(shí)驗(yàn)的幫助下,我們可以降低內(nèi)切酶的表達(dá),讓它“出工不出力”。

同時(shí),要回答以上問(wèn)題還需要借助一套先進(jìn)的方法設(shè)備——免疫定位和免疫膠體金電鏡,有了這兩個(gè)“法寶”的幫助,就可以看到實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程了。

圖片展現(xiàn)了菌根化的楊樹根,即菌絲已經(jīng)深入楊樹根內(nèi)部。綠色代表真菌與細(xì)胞壁的結(jié)合,紅色代表?xiàng)顦浼?xì)胞。

圖片來(lái)源:張鳳提供

從上圖我們可以看出,沒(méi)有進(jìn)行RNA干擾試驗(yàn)(a-b)時(shí),菌絲突破細(xì)胞壁之后,開(kāi)始在楊樹的根部組建交易的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)——哈氏網(wǎng)。菌根吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(主要是氮類),然后借助這個(gè)哈氏網(wǎng)傳給植物。

當(dāng)進(jìn)行RNA干擾實(shí)驗(yàn)之后,內(nèi)切酶的活性降低了,菌絲就無(wú)法進(jìn)入細(xì)胞壁形成哈氏網(wǎng)。

這從正面和反面證明了內(nèi)切酶在進(jìn)入細(xì)胞壁時(shí)的作用。

圖片來(lái)源:張鳳

不僅如此,內(nèi)切酶進(jìn)入細(xì)胞壁的過(guò)程,也和之前的模式大不相同。之前的研究表明菌絲進(jìn)入細(xì)胞壁的過(guò)程中完全降解細(xì)胞壁,如同暴力拆遷。

然而,本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在內(nèi)切酶的幫助下,菌絲在細(xì)胞壁上打了一個(gè)隧道,進(jìn)入細(xì)胞壁時(shí)并不破壞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)。這樣“溫和”的做法,不容易引發(fā)細(xì)胞的免疫排斥,讓細(xì)胞更好地接受,是一種新的模式。

菌與根的地下交易密碼被成功破解,這對(duì)于人類利用菌根可能具有重要推動(dòng)作用,而我們也期待未來(lái)這項(xiàng)研究能為人類帶來(lái)更多的福祉!

注:文中拉丁文名應(yīng)為斜體

參考文獻(xiàn):

Zhang F, Labourel A, Haon M et al. 2022. The ectomycorrhizal basidiomycete Laccaria bicolor releases a GH28 polygalacturonase that plays a key role in symbiosis establishmentNew Phytologist, 233: 2534–2547

出品:科普中國(guó)

作者:趙序茅(蘭州大學(xué)青年研究員)

標(biāo)簽: 微生物群落 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 外生菌根

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