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