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外生菌根(EM)是真菌和高等植物根系形成的互惠共生體，其典型結構是菌絲侵入根系皮層細胞間隙形成哈氏網(wǎng)(Hartig net)，同時在根表蔓延形成菌絲套(Mantle)。外生菌根對森林中植物生長發(fā)育與適應、土壤養(yǎng)分循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要的調節(jié)作用。在土壤中，外生菌根真菌除了與宿主植物進行互惠共生，還與土壤中非宿主植物根系、細菌等其它生物發(fā)生復雜的互作。例如，昆明植物研究所大型真菌種質資源與綠色發(fā)展專題組在前期研究中發(fā)現(xiàn)：松乳菇和宿主植物—云南松根系協(xié)調調控類胡蘿卜素代謝，誘導產生視黃醇，進而調控菌根尖發(fā)育(Su et al.,2024,Physiol Plant);EM真菌本身極少分泌磷酸酶而是招募土壤解磷細菌活化有機磷(Yuan et al.,2024,Plant Soil)。

最近，圍繞自然界中的“菌塘”或“火燒圈”現(xiàn)象(即部分外生菌根周圍非宿主植物生長發(fā)育受到顯著抑制，比如塊菌(松露)生長區(qū)出現(xiàn)的火燒圈)，該團隊在實驗室建立了宿主-EM-非宿主植物三方互作研究體系，發(fā)現(xiàn)外生菌根菌絲可以侵染非宿主植物—擬南芥根系，導致擬南芥生長發(fā)育受到顯著抑制，在實驗室條件下模擬了“菌塘”現(xiàn)象。進一步研究發(fā)現(xiàn)EM菌絲侵染擬南芥根系誘導了擬南芥的防御反應、葉片磷(P)吸收、防御相關激素信號通路基因表達以及游離脂肪酸代謝和積累;抑制了擬南芥葉片氮(N)吸收、光合和生長相關激素信號通路基因表達;N15穩(wěn)定同位素分析發(fā)現(xiàn)非宿主植物葉片N可以通過根際途徑轉移到宿主植物葉片。這些結果表明EM菌絲侵染導致了非宿主植物“生長-防御權衡”，以及EM在N吸收方面的競爭優(yōu)勢導致的非宿主植物養(yǎng)分失衡。同時，擬南芥葉片向光合器官葉綠體分配鐵和磷元素的基因FRO7 和 PHT2;1的表達受到顯著抑制。以上結果部分揭示了外生菌根真菌“菌塘”現(xiàn)象作用機制。此外，該研究還鑒定了一個擬南芥響應EM菌絲侵染的核心調控miRNA5658，并在非宿主植物擬南芥葉片中檢測到侵染根系的EM真菌菌絲的少量轉錄本，為后續(xù)研究提供了線索。

該研究近日以Both a growth-defense trade-off and a leaf N: P stoichiometric imbalance can account for ectomycorrhizal hyphae inhibited non-host plant growth為題發(fā)表在國際植物學一區(qū)TOP期刊 Plant Cell & Environment 雜志上。昆明植物研究所汪延良、韋鑫(已畢業(yè)研究生)為第一作者，汪延良和于富強為通訊作者。該項目得到國家自然科學基金面上項目、云南省“興滇英才支持計劃”青年人才專項以及國家重點研發(fā)計劃項目經費的支持。

圖1 宿主-EM-非宿主三方共培養(yǎng)體系以及非宿主擬南芥生長發(fā)育表型

圖2EM菌絲侵染擬南芥后葉片基因表達變化