美国能源部橡树岭国家实验室领导的一个科学家团队，发现了控制植物与土壤真菌之间重要共生关系的特定基因，并成功地促进了真菌与通常抵抗它的植物的共生活动。
这一发现可能会促进生物能源和粮食作物的发展，这些作物能够承受恶劣的生长条件，抵御病原体和害虫，需要更少的化肥，每英亩能生产更大、更丰富的植物。
近年来，科学家们对植物与菌根真菌之间的复杂关系有了更深入的了解。当它们结合在一起时，真菌在植物根周围形成一个鞘。
这具有显著的好处：真菌的结构远离植物宿主，增加了养分的吸收，甚至与其它植物交流，以“警告”病原体和害虫的传播。作为回报，植物向真菌提供碳，从而促进其生长。
这些菌根共生体被认为推动了古代植物在陆地上的殖民生长，使诸如广阔的森林和草原等成功的生态系统成为可能。据估计，80%的植物物种都有与其根相关的菌根真菌。
ORNL的分子遗传学家杰西·拉贝说：“如果我们能够理解控制植物和有益真菌之间关系的分子机制，那么我们就可以开始利用这种共生关系来获得植物的特定条件，比如抗旱能力、病原体、改善氮和营养吸收等等。由此产生的植物会长得更大，需要的水和肥料会更少。”
在植物中寻找允许共生关系发生的基因触发器一直是植物领域最具挑战性的课题之一。这一发现发表在《自然植物》杂志上。
此前，ORNL和合作机构进行了10年的研究，探索如何生产更好的生物能源原料作物，比如杨树。这项工作的完成，得益于过去十年中基因组测序、定量遗传学、高性能计算以及实验生物学方面的改进。
科学家正在研究由某些种类的杨树和L. bicolor真菌形成的共生关系。该团队使用位于ORNL的DOE办公室科学用户设施、橡树岭领导团队的超级计算资源，以及在美国能源部联合基因组研究所生成的基因组序列，寻找特定的受体蛋白PtLecRLK1。一旦他们确定了可能的候选基因，研究人员就会到实验室验证他们的发现。
ORNL植物分子生物学家Jay Chen说：“实验验证是这一发现的关键，基因图谱只揭示了共生关系和这种基因之间的统计关联，而实验验证提供了一个明确的答案，即控制共生关系的正是这种特殊基因。”
研究人员选择拟南芥（Arabidopsis），这是一种传统上不与L. bicolor真菌相互作用的植物，甚至认为它对实验也是一种威胁。
他们创造了一个表达PtLecRLK1蛋白的植物工程版本，然后用真菌接种植物。结果发现L. bicolor真菌完全包裹了植物的根尖，形成真菌鞘，表明了共生菌的形成。
ORNL定量遗传学家威灵顿·穆切罗说：“我们证明了我们可以将一种非寄主转化为这种共生体的寄主。如果我们能让拟南芥与这种真菌相互作用，那么我们相信我们也能让柳枝稷等其他生物燃料作物，或玉米等粮食作物也相互作用，并带来完全相同的好处。它在不同的植物系统中开辟了各种各样的机会。令人惊讶的是，你只需要一个基因。”
来自威斯康辛大学麦迪逊分校、法国洛林大学和阿拉巴马州哈德逊阿尔法生物技术研究所的科学家也参与了该项目。这项工作得到了美国能源部科学办公室、能源部生物能源创新中心(CBI)及其前身生物能源科学中心(BESC)的支持。
CBI的主要目标之一是利用植物基因组学和工程技术创造可持续的生物质原料作物。BESC和CBI都开发了实验和计算方法来加速植物基因功能的鉴定。
CBI主任杰瑞说：“这是一个了不起的成就，可能会促进生物能源作物的发展，使其能够在边缘地区的非农业土地上生存和茁壮成长。我们可以把目标锁定在多达2000万至4000万英亩的边际土地上，种植耐旱、需水量更少的生物能源作物，从而为成功的以生物为基础的农村经济开辟前景，为汽油和工业原料提供可持续的替代品。”
参考资料：
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/07/190722105944.htm
封面图源：www.pexels.com
文 | 罗建军
编辑 | luojianjun4725
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