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PCE亚林所、北林:NMT发现腐生型共生真菌荷伯生氏斜盖伞定殖可促枫香根吸钾

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[成果与文献分享]

PCE亚林所、北林:NMT发现腐生型共生真菌荷伯生氏斜盖伞定殖可促枫香根吸钾

 楼主| xuyue_2017 发表于 2021-5-20 09:19  
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NMT作为生命科学底层核心技术,是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年,NMT已扎根中国15年。2020年,中国NMT销往瑞士苏黎世大学,正式打开欧洲市场。


感谢本文一作,中国林科院亚热带林业研究所彭龙博士供稿
基本信息
主题:NMT发现腐生型共生真菌荷伯生氏斜盖伞定殖可促枫香根吸钾
期刊:Plant Cell and Environment
影响因子:6.362
研究使用平台:NMT植物-微生物互作创新平台
标题:Facultative symbiosis with a saprotrophic soil fungus promotes potassium uptake in American sweetgum trees
作者:中国林科院亚热带林业研究所袁志林、彭龙、单晓亮、杨预展;法国农科院Francis M. Martin

检测离子/分子指标
K+
检测样品

美国枫香根分生区(距根尖500 μm根表上的点)、伸长区(距根尖15 mm根表上的点)、成熟区(距根尖30 mm根表上的点)

中文摘要


很多真菌具有灵活的营养方式,它们能在不同的微环境下转变生态位,具有腐生真菌与共生真菌的双重特性。然而,腐生型共生菌促进树木生长和营养吸收的机制还不清楚。荷伯生氏斜盖伞(Clitopilus hobsonii)最早在朽木上发现,是一种常见的腐生真菌。该菌能够与多种树木建立共生关系并促进树木的生长。通过显微观察发现C. hobsonii能顺利进入根部皮层细胞并形成密集的类似于“微菌核”的共生结构,而没有形成外生菌根结构或是内生真菌定殖结构。通过检测腐生型共生真菌-树木共生体中N、P、K的含量,发现腐生型共生真菌不能影响树木中的N和P的含量,但能显著提高K含量。基因表达模式结果表明,树木中的K吸收基因的表达在接菌前后并无显著差异,而检测到了3个真菌K吸收基因,其中ChACUChSKC基因能够恢复K吸收缺陷的酵母突变体的生长。值得注意的是,低钾(0.05 mM)条件下能够上调ChACU基因表达,使得C. hobsonii 在低钾条件下更有益于树木K吸收,并且提高树木可溶性糖含量。这些结果从形态和营养方面解析了腐生型共生真菌与树木的相互作用,说明低营养条件更有益于腐生型共生菌与树木间的互利共生。


离子/分子流实验处理

接种真菌和不接种真菌(对照)的美国枫香在低K+(LK,0.05 mM K+)条件下生长28 d

离子/分子流实验结果

研究利用非损伤微测技术(NMT)监测和比较LK条件下非接种和接种真菌的幼苗根部的K+流速变化。接种真菌的根的分生区K+内流速率显著高于对照(图1a)。在根伸长区和成熟区也观察到类似的变化(图1b, c)。这些结果表明,接种的根系吸收K+较多(分生区、伸长区和成熟区)(图1d)。




图1. 接种荷伯生氏斜盖伞定殖对根系K+流速的影响


图2. 植物根部分生区K+流速检测图



其他实验结果

  • 在美国枫香根的接种过程中,荷伯生氏斜盖伞不能形成根内哈蒂氏网和真菌菌套等外生菌根结构。除冠细胞外,被接种的根尖的分生区、分化区和伸长区有大量的微菌核样结构。
  • 接种荷伯生氏斜盖伞可促进植物生长、根系发育和K+的吸收。
  • 接种的根中共鉴定了51个编码K+转运体/通道蛋白的DEUs。特别值得关注的是ACUHAKSKC三个基因在定殖根的两个阶段具有非常高的表达量,但在对照组中几乎没有表达。
  • 将含有ChACUChHAKChSKC的空pYES-2载体和pYES-2载体分别转入营养缺陷型酵母突变株R5421中(该突变株在低K+条件下无法生长)。用对照载体(R5421-pYES2)转化的R5421菌株在低K+(2 mM K+)水平下无法生长,转入ChACUChSKCChHAK转运体(R5421-ChACU)的酵母细胞在2 mM的K+浓度下能够生长。
  • 荷伯生氏斜盖伞在LK条件下对植物K+吸收的有益作用大于正常K+(NK,5 mM K+)条件。
  • 在LK下ChACUChHAK的表达高于NK,而ChSKC在两种条件下均有稳定的表达。
  • 与NK条件相比,自由状态下的荷伯生氏斜盖伞中ChACUChHAK在K+缺失或LK条件下均显著上调,而ChSKC仅在K+缺失时被激活。
  • LK条件下接种的植株与未接种的植株相比,可溶性碳水化合物含量显著增加,而在NK条件下仅略有增加。


结论

本文对荷伯生氏斜盖伞和美国枫香之间兼性生物营养相互作用下的形态和营养方面进行了研究。本文提供了一些证据表明这种共生关系的适应性是由环境中K+的条件控制的。虽然在共生过程中,宿主K+营养相关基因并没有进行广泛的基因重编程,但真菌对K+浓度变化的生理响应所进行的调控和微调是有益生物营养寄主最显著的特征。图3说明了在这种关联中,LK诱导的碳和钾的转移的潜在好处。最近正在进行的一个研究是对荷伯生氏斜盖伞进行全基因组测序,并对伞菌目中的相关物种(包括外生菌类、腐生菌类和内生菌类)进行比较基因组学研究,这项工作可帮助揭示导致兼性生物营养的关键进化轨迹,并确定更多属于K+运输系统的候选基因,以进行功能鉴定。综上所述,本工作为开展树木与腐生共生真菌相互作用的详细机理研究提供了新的切入点,荷伯生氏斜盖伞还可以为克服土壤缺钾条件下的植树造林管理提供支撑。





图3. 在K+限制条件下兼性生物营养真菌诱导植物K+吸收的示意图


测试液

0.01 mM KCl, 0.1 mM NaCl, 0.1 mM CaCl2, pH 5.7

仪器采购信息

  • 据中关村NMT产业联盟了解,中国林业科学研究院亚热带林业研究所于2014年采购了旭月公司的非损伤微测系统。
  • 据中关村NMT产业联盟了解,北京林业大学于2009年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。


2021版《NMT论文集》已出版





关键内生菌;菌根真菌;RNA-seq;根-真菌共生;土壤腐生菌;可溶性糖类

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