消息！速看！科學(xué)家破解地下王國的暗網(wǎng)交易密碼

大家聽過倩女幽魂的故事嗎？在這個故事中，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，而作為回報，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養(yǎng)物質(zhì)，便在它的根部聚集了一批微生物群落。不過，自然界中的“樹妖”和微生物之間都是善意的合作，不僅不會危害他人，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菌，通過它們來吸收水分和氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)。

聽到這里你是不是也對這種“交易”充滿了好奇？下面就一起來一探究竟吧～

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，固氮菌擅長從空氣中固定氮元素。

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

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制還不明確，也就是說我們并不清楚菌與根是如何建立合作機制的。

為了摸清這場“地下交易”是如何進行的，蘭州大學(xué)張鳳青年研究員團隊長期跟蹤、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“陽氣”（水分和營養(yǎng)物質(zhì)）、又是如何把陽氣移交給樹妖的。

終于，經(jīng)過不懈的努力，張鳳青年研究員團隊與法國國家農(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象，探討楊樹的外生菌根與宿主植物的相互作用機制，發(fā)現(xiàn)菌根真菌可以通過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入植物根部的？或者說它們進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折中的方式——并不入侵植物的細胞內(nèi)部，只是存在于植物細胞間質(zhì)，形成哈式網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即雙方進行‘交易’的場所。

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

高等植物的細胞壁主要由果膠、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”的果膠可以維持細胞的形態(tài)、增強細胞的機械強度、參與細胞的生理活動。

之前的研究認為，真菌菌絲生長過程中產(chǎn)生的壓力可以完全拆掉細胞壁，這種進入方式比較“暴力”，后果是容易引起細胞的排斥。

但是隨著分子生物的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，菌根形成過程中，借助一個得力助手——細胞壁水解酶（PCWDEs），就可以用比較溫和的方式進入細胞壁。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胞壁的關(guān)鍵幫手。

菌絲體

圖片來源：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）植物細胞壁的過程中起著重要的作用，只不過這一研究結(jié)果還沒有在菌根中得到驗證。

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

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

實驗發(fā)現(xiàn)在外生菌根真菌和楊樹形成菌根的過程中，內(nèi)切酶的反應(yīng)比較活躍，和在菌絲上的表達量相比，內(nèi)切酶在進入細胞壁的過程中上調(diào)（增加了）2.3倍。

這就從實驗角度證實了內(nèi)切酶是菌絲的關(guān)鍵幫手，它就像是一位談判高手，和細胞壁進行交涉，說服細胞壁軟化，讓菌絲可以進入楊樹根部。

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

地下暗網(wǎng)的交易過程

前面從正面驗證了菌絲借助內(nèi)切酶打入植物細胞的過程。但是，這個過程中是否有受到其他因素影響呢？為了理清這一問題，我們還需要從反面驗證，即如果沒有這個內(nèi)切酶，真菌的菌絲就無法進入細胞壁。這樣我們才能得到一個更完整的實驗邏輯。

具體要如何實現(xiàn)呢？這需要借助一個先進的實驗——RNA干擾實驗。在RNA干擾實驗的幫助下，我們可以降低內(nèi)切酶的表達，讓它“出工不出力”。

同時，要回答以上問題還需要借助一套先進的方法設(shè)備——免疫定位和免疫膠體金電鏡，有了這兩個“法寶”的幫助，就可以看到實驗的整個過程了。

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。綠色代表真菌與細胞壁的結(jié)合，紅色代表楊樹細胞。

圖片來源：張鳳提供

從上圖我們可以看出，沒有進行RNA干擾試驗（a-b）時，菌絲突破細胞壁之后，開始在楊樹的根部組建交易的網(wǎng)絡(luò)平臺——哈氏網(wǎng)。菌根吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)（主要是氮類），然后借助這個哈氏網(wǎng)傳給植物。

當進行RNA干擾實驗之后，內(nèi)切酶的活性降低了，菌絲就無法進入細胞壁形成哈氏網(wǎng)。

這從正面和反面證明了內(nèi)切酶在進入細胞壁時的作用。

圖片來源：張鳳

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

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

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

注：文中拉丁文名應(yīng)為斜體

參考文獻：

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

作者：趙序茅（蘭州大學(xué)青年研究員）

標簽： 微生物群落 營養(yǎng)物質(zhì) 外生菌根