真菌植物共生四亿年的秘密
科学家已研发出两种强大的分子工具，揭示植物与真菌如何协同维持地球上最古老的生物共生关系之一。
一对全新的分子工具，让科学家得以揭开植物与土壤真菌如何在地下协同维系它们古老共生关系的奥秘。
在约4.5亿年的时间里，植物与土壤真菌一直保持着互利共生关系。真菌在植物根系中生长，为植物提供土壤中的磷及其他矿物质；作为回报，植物通过光合作用制造糖类与脂质供给真菌。这种长期关系支撑着地球上约80%的植物物种，包括玉米、小麦等供养数十亿人口的主要粮食作物。
几十年来，研究人员早已知道这类关系对农业至关重要。然而，让植物与真菌能够协同并维系这种共生关系的精确分子机制，一直不为人知。
由玛丽亚·哈里森教授带领的博伊斯·汤普森研究所（BTI）研究团队，如今整合了两种先进技术，用以揭示是哪些蛋白质相互作用，让这类共生关系得以运转。这些方法还能让科学家在活的植物根系内部直接验证这些相互作用——而这里正是植物与真菌真正展开合作的场所。
研究难点
蛋白质是细胞的功能机器，负责执行绝大多数生命活动。在植物—真菌共生关系中，特定蛋白质必须发生物理结合并协同工作，才能让共生关系正常建立与运行。鉴定这些蛋白质配对十分困难，因为发生营养交换的特化根细胞数量极少，只占根组织的极小一部分。
“多年来我们已经知道某些蛋白质对建立这类共生关系必不可少，但却看不到它们在与谁协作，”哈里森说，“这些工具让我们能在真正发生共生的细胞里提出并解答这些问题。”
两种新工具
谢尔盖·伊万诺夫、莉娜·米勒、弗朗索瓦·勒费夫尔在哈里森实验室做博士后期间，整合并优化了两种互补的研究方法。
首先，他们构建了一个包含大量植物与真菌蛋白质的文库。利用酵母细胞中的筛选系统，分析目标蛋白能否与数千种潜在伴侣蛋白相互作用，再通过DNA测序读取结果。简单来说，这套系统就像一个大规模“蛋白配对平台”，找出哪些蛋白质会彼此结合。
第二种技术对一种广泛使用的生物学方法进行了改造：只有当蛋白质在植物根细胞内真正发生物理接触时，才会发出荧光信号。这种基于荧光的方法可以验证在酵母细胞中发现的相互作用，同样会发生在活体植物的正确位置。这些相互作用发生在细胞的膜结构“交易平台”上，也就是植物与真菌交换营养的地方。
“将这两种方法结合的优势在于，我们可以大范围筛选找到候选伴侣蛋白，再验证这些相互作用是否发生在正确位置，”该研究第一作者伊万诺夫说，“第二步——在活根的正确细胞与细胞内正确空间进行验证——一直是该领域的瓶颈。”
概念验证
为证明这套方法有效，研究人员聚焦于一种名为CKL2的蛋白质。此前研究已证实，CKL2对植物—真菌共生关系的形成至关重要；缺少这种蛋白，共生关系便无法正常建立。
筛选实验显示，CKL2与14-3-3蛋白家族成员的相互作用最强。这类蛋白负责连接其他蛋白质，并调控多项重要细胞活动。
利用荧光检测，研究人员证实这些相互作用发生在丛枝周膜上——这层特化膜是植物与真菌交换营养的交界面。
当科学家降低植物细胞中14-3-3蛋白的水平时，真菌定殖率下降了约31%。这一结果表明，这类蛋白在维持共生关系中发挥着关键作用。
农业应用价值
在分子层面更清晰地理解植物与真菌如何协同共生，有助于科学家与育种家培育出共生关系更稳固的作物品种。
能通过真菌伴侣更高效地吸收磷与其他营养的植物，将减少对化肥的依赖。这既能降低农民成本，也能减少化肥流失对环境造成的污染。
研究团队已将这些实验资源向其他科学家开放，以便更多实验室研究参与这一分布广泛、对农业至关重要的生物关系的蛋白质。
“我们现在可以系统性地鉴定哪些蛋白质控制营养交换，并在活根中验证它们的相互作用，”哈里森说。除了提升营养吸收，这类植物—真菌共生关系还能增强植物抵御病害与环境胁迫的能力。
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