大家听过倩女幽魂的故事吗?在这个故事中,有一只千年树妖盘踞古兰寺,招揽了聂小倩等一帮侍女,树妖为她们提供庇护,而作为回报,聂小倩等一帮侍女则需要帮树妖做事。
你知道吗,这看似魔幻的剧情,在自然界却存在类似的交易。自然界的树木就像树妖姥姥一样,为了更好地吸收水分和营养物质,便在它的根部聚集了一批微生物群落。不过,自然界中的“树妖”和微生物之间都是善意的合作,不仅不会危害他人,还能产出一些有益的真菌。
(资料图片仅供参考)
树妖虽然神通广大,却需要聂小倩们的帮助。同样,树木的根部尤其是杨树的根部,也常常依靠地下的真菌和细菌,通过它们来吸收水分和氮磷等营养物质。
听到这里你是不是也对这种“交易”充满了好奇?下面就一起来一探究竟吧~
菌与根如何建立合作?
树根与地下微生物群落会建立明确的分工,不同的菌群发挥不同的作用。比如,固氮菌擅长从空气中固定氮元素。
这些微生物群落把吸收来的水分和营养物质移交给大树,作为回报,树根会为地下的微生物群落提供庇护,也会分泌一些糖类来作为它们的食物。
这些微生物群落就是自然界中的菌根,我们熟悉的“明菌”——松露、松茸、牛肝菌等也是其中一类。这些明菌的形成首先需要与特定的植物根系形成菌根,菌丝一端深入植物根系,而另一端则延伸到土壤中。
菌足和菌根
图片来源:veer
虽然它们的合作早已被人知晓,但是这些菌根的具体形成机制还不明确,也就是说我们并不清楚菌与根是如何建立合作机制的。
为了摸清这场“地下交易”是如何进行的,兰州大学张凤青年研究员团队长期跟踪、研究杨树菌根的形成,期望弄清楚这些地下“聂小倩”是如何与树妖取得联系、如何吸取“阳气”(水分和营养物质)、又是如何把阳气移交给树妖的。
终于,经过不懈的努力,张凤青年研究员团队与法国国家农业食品与环境研究所(INRAE)Francis Martin课题组合作,在New Phytologist(新植物学家)期刊上发表了一篇论文,这篇名为“The ectomycorrhizal basidiomycete Laccaria bicolor releases a GH28 polygalacturonase that plays a key role in symbiosis establishment”的文章最终解决了上述困惑。
张凤课题组以杨树为研究对象,探讨杨树的外生菌根与宿主植物的相互作用机制,发现菌根真菌可以通过存在于地下的庞大网络与杨树根部建立联系。
那么外生根菌的菌丝是如何进入植物根部的?或者说它们进行地下交易的密码是什么呢?
虽然菌丝和植物都有合作需求,但是还是得解决如何“接头”的问题。真菌菌丝与植物接头的地方位于地下的根部。然而,菌丝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细胞壁,另一方面又要最低限度地引起植物的免疫反应。
于是外生菌根真菌选择了一个折中的方式——并不入侵植物的细胞内部,只是存在于植物细胞间质,形成哈式网结构,即双方进行‘交易’的场所。
这个哈氏网类似于菌根和根部进行地下秘密交易的网络通道。但是哈式网的形成首先面对的难题就是细胞壁,只有突破细胞壁这一关才能到达细胞间质。
高等植物的细胞壁主要由果胶、纤维素、半纤维素、木质素和蛋白质等相互交联,类似于“交联剂”的果胶可以维持细胞的形态、增强细胞的机械强度、参与细胞的生理活动。
之前的研究认为,真菌菌丝生长过程中产生的压力可以完全拆掉细胞壁,这种进入方式比较“暴力”,后果是容易引起细胞的排斥。
但是随着分子生物的发展,科学家发现,菌根形成过程中,借助一个得力助手——细胞壁水解酶(PCWDEs),就可以用比较温和的方式进入细胞壁。而其中的多聚半乳糖醛酸酶(内切酶)就很有可能是菌丝突破树根细胞壁的关键帮手。
菌丝体
图片来源:veer
先前的研究证明,多聚半乳糖醛酸酶在许多病原真菌突破(消化降解)植物细胞壁的过程中起着重要的作用,只不过这一研究结果还没有在菌根中得到验证。
那么要如何科学的证明内切酶参与了菌丝突破细胞壁的过程,并在其中发挥了重要作用?
这就要看菌根形成过程中内切酶的表达(活跃程度)了。如果在菌丝进入细胞壁的过程中,该酶比较活跃,具有较好的表达,那么就可以证实它在其中发挥了作用。
实验发现在外生菌根真菌和杨树形成菌根的过程中,内切酶的反应比较活跃,和在菌丝上的表达量相比,内切酶在进入细胞壁的过程中上调(增加了)2.3倍。
这就从实验角度证实了内切酶是菌丝的关键帮手,它就像是一位谈判高手,和细胞壁进行交涉,说服细胞壁软化,让菌丝可以进入杨树根部。
具体过程就是内切酶帮助修饰杨树细胞壁的果胶,使得细胞壁软化,类似于打一个隧道让菌丝能够较为轻松地进入细胞壁。这种模式比拆除细胞壁的方式更温和。
地下暗网的交易过程
前面从正面验证了菌丝借助内切酶打入植物细胞的过程。但是,这个过程中是否有受到其他因素影响呢?为了理清这一问题,我们还需要从反面验证,即如果没有这个内切酶,真菌的菌丝就无法进入细胞壁。这样我们才能得到一个更完整的实验逻辑。
具体要如何实现呢?这需要借助一个先进的实验——RNA干扰实验。在RNA干扰实验的帮助下,我们可以降低内切酶的表达,让它“出工不出力”。
同时,要回答以上问题还需要借助一套先进的方法设备——免疫定位和免疫胶体金电镜,有了这两个“法宝”的帮助,就可以看到实验的整个过程了。
图片展现了菌根化的杨树根,即菌丝已经深入杨树根内部。绿色代表真菌与细胞壁的结合,红色代表杨树细胞。
图片来源:张凤提供
从上图我们可以看出,没有进行RNA干扰试验(a-b)时,菌丝突破细胞壁之后,开始在杨树的根部组建交易的网络平台——哈氏网。菌根吸收水分和营养物质(主要是氮类),然后借助这个哈氏网传给植物。
当进行RNA干扰实验之后,内切酶的活性降低了,菌丝就无法进入细胞壁形成哈氏网。
这从正面和反面证明了内切酶在进入细胞壁时的作用。
图片来源:张凤
不仅如此,内切酶进入细胞壁的过程,也和之前的模式大不相同。之前的研究表明菌丝进入细胞壁的过程中完全降解细胞壁,如同暴力拆迁。
然而,本次实验发现在内切酶的帮助下,菌丝在细胞壁上打了一个隧道,进入细胞壁时并不破坏细胞壁的结构。这样“温和”的做法,不容易引发细胞的免疫排斥,让细胞更好地接受,是一种新的模式。
菌与根的地下交易密码被成功破解,这对于人类利用菌根可能具有重要推动作用,而我们也期待未来这项研究能为人类带来更多的福祉!
注:文中拉丁文名应为斜体
参考文献:
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:科普中国
作者:赵序茅(兰州大学青年研究员)
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