邹文安
景杰编者推荐：最近几年，Microbiota／微生物群落的概念随着人类肠道微生物群落的研究而为公众所熟知。肠道微生物群落平衡可以影响人们胖瘦、免疫力、甚至是性格形成，并且这种影响力远超出我们的想象。其实在植物中，植物和微生物的相互作用早已为研究人员所熟知。绝大多数陆生植物的根系寄生着丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal，AM），双方形成稳定的共生关系：一方面真菌从植物根系获得其所需的碳源，另一方面真菌能帮助植物从土壤中高效摄取植物生长所需的磷、氮等营养物。自真菌-植物共生体被发现的一百多年来，研究人员推测植物根部合成的糖是共生真菌的主要碳源。但是中国科学家的一项研究成果颠覆了该观念，他们发现脂肪酸才是真菌从植物获得的主要碳源。领导这项研究是中科院上海植物生理生态所的王二涛研究员，该成果发表在著名学术期刊Science杂志，这也是该机构继2月份发表水稻抗病基因Pigm后，在该期刊上发表的第二篇研究论文。
关键词：丛枝杆菌、Arbuscular mycorrhizal、碳源、脂肪酸、抗病、转运蛋白
图 1. 植物合成脂肪酸通过植物细胞膜上的转运蛋白STR转运到细胞间隙，然后进入AM内部。
研究思路和成果：
超过80%以上的陆生植物根系存在着枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal，AM），双方形成稳定的共生关系：一方面真菌从植物根系获得其所需的碳源、生长促进物质；另一方面真菌能帮助植物从土壤中高效摄取植物生长所需的磷、氮等营养物。如果没有寄生在植物根本的共生真菌，我们看到的这个绿意盎然的世界也不复存在。
因此研究植物／共生菌相互作用一直以来是植物学研究的热点，同时也是研究的难点。比如，这些真菌是如何选择在植物根部共生？是什么植物信号诱导真菌萌发？研究人员经过数十年的研究才发现，这种信号属于一种全新的植物激素：独脚金萌发素内酯（strigolactones）。该化合物除了参与调控植物的生长发育外，还可以诱导处于休眠的真菌萌发，促使其在植物的根部周围形成了一个菌丝网络，帮助植物吸收土壤中的营养物质。还有一个待解救问题是：共生真菌从植物中获得的碳源是什么？这些碳源又是如何从植物中转移到共生真菌中？此前，科学家一直认为糖是共生真菌利用的主要碳源，但是一直都没有获得直接的证据。
2012年，本文的通讯作者王二涛博士在英国John Inners Center做博士后，主要是研究豆科植物苜蓿和共生菌共生关系。他筛选到一些共生菌不能定植的苜蓿突变体，其中有一个突变基因ram2引起他的注意。RAM2基因编码脂肪酸酰化酶，参与几丁质的合成，为什么脂肪酸代谢异常会影响共生菌生长？联想到糖、脂肪、蛋白质是三大能量分子，其中尤以脂肪储能最高。所以他怀疑脂肪酸可能是共生真菌的碳源。次年，王二涛回国组建自己的实验室，开始着手证明他的猜想。
首先他利用稳定同位素示踪技术实验，验证丛枝杆菌是否能以葡萄糖、甘油为原料从头合成脂肪酸（图2）。13C标记的甘油喂饲根外菌丝／ERM后，ERM内的13C标记的甘油含量为10.52%，13C标记的葡萄糖为6.54%，但是最终脂肪酸的含量没有明显被标定（图 2）。因此表明丛枝杆菌可以吸收甘油，并能将其转化为葡萄糖，但不能以之为原料从头合成脂肪酸。
图 2. 丛枝杆菌可以吸收甘油，并能将其转化为葡萄糖，但不能从头合成脂肪酸。利用稳定同位素标记的甘油喂饲根外菌丝／ERM，然后用气相色谱分析ERM中13C标记甘油和葡萄糖。
接下来用13C标记的甘油喂饲根内菌丝／IRM后，ERM中13C标记的葡萄糖比例显著增加，但是IRM中比例增加不显著（图 3）。因为丛枝菌根真菌不直接吸收葡萄糖，所以推测甘油转化为甘油酯后进入ERM，然后通过糖异生转化为葡萄糖。为了直接证明丛枝杆菌直接从植物中获取脂肪酸，研究人员将伞形科植物U. californica的UcFatB基因转入苜蓿，转基因植物可以积累很高丰度的lauric acid，其共生菌中也积累很高浓度的该类脂肪酸（图 4）。
图 3. 根内菌丝／IRM并不直接吸收植物根中甘油代谢的葡萄糖。利用稳定同位素标记的甘油喂饲IRM，然后用气相色谱分析IRM中 13C标记甘油和葡萄糖。
图 4. 共生菌从转基因苜蓿UcFatB根部直接吸收特异性合成的脂肪酸。左图，转基因苜蓿UcFatB根部富集大量lauric acid。右图，转基因苜蓿UcFatB共生菌中富集lauric acid。
接下来研究人员通过遗传方法，分别下调、过表达苜蓿中下调脂肪酸代谢途径中的关键基因的表达，然后分析这些脂肪酸合成变化对丛枝杆菌共生的影响。结果发现抑制苜蓿脂肪酸合成抑制丛枝杆菌共生，而促进脂肪酸合成则会促进AM共生（图 5）。
图 5. 脂肪酸合成转基因植物影响丛枝杆菌共生。左图，脂肪酸合成过表达转基因植物促进丛枝杆菌共生。右图，脂肪酸合成下调对转基因植物抑制丛枝杆菌共生。
既然丛枝杆菌可以吸收植物根部合成的脂肪酸，那么脂肪酸是如何跨膜运输进入菌体？脂肪酸有极性的羧基端，不是很容易进行跨膜运输。王二涛研究员想到自己之前筛选到的共生缺陷突变体ram2。RAM2蛋白催化2-单酰甘油的合成，那么脂肪酸是否以酰化甘油的形式跨膜进入丛枝杆菌体？在ram2突变体中即使过表达UcFatB，共生菌中仍不能积累相应的脂肪酸，表明RAM2对脂肪酸进入共生菌所必需。那么知道了脂肪酸以单酰甘油的形式跨膜运输，接下来的问题是谁是负责跨膜运输的转运蛋白？作者发现两个ATP binding cassette transporters（STR）对脂质跨膜运输进入共生菌非常重要，str突变体的脂肪酸不能被共生菌所吸收。
因此该研究阐述了植物共生菌如何利用植物根部脂肪酸为碳源的全过程：植物根部的脂肪酸和甘油在RAM2的催化下生产单酰甘油，然后通过共生菌膜运输蛋白STR转入共生菌中。这项研究不仅具有重大科学价值，还有很大的应用潜力。因为很多植物病原真菌会诱导植物脂肪酸合成，通过和植物争夺碳源而导致导致作物减产。如何通过抑制抑制病原真菌获得碳源，进而抑制病原真菌生长无疑是接下来需要研究的课题。
本论文的工作是与福建农林大学唐定中研究员和中科院植生所陈晓亚、杨琛研究员合作完成。该工作主要由姜伊娜博士和博士研究生王万晓、谢秋瑾等在王二涛研究员指导下完成。该研究受科技部青年973、国家转基因新品种培育重大专项、国家自然科学基金委的资助。
王二涛研究员
王二涛博士，中科院上海植物生理生态研究所研究员，中组部“青年千人计划”，“优秀青年基金”获得者， 973计划青年首席科学家。2011年上海市自然科学一等奖，2014年国家自然科学奖二等奖获得者。2008年于中科院上海生命科学研究院获博士学位，获得中国科学院优秀博士学位论文奖；2008-2012年在英国John Innes Centre从事博士后研究；2013年至今，任中科院上海植物生理生态研究所研究员，植物分子遗传国家重点实验室研究员，国际非豆科植物生物共生固氮研究联盟成员。主要从事豆科植物-根瘤共生固氮，植物-丛枝菌根真菌共生方面的研究，重点研究植物与共生微生物之间的信号交流和信号传导。近年来在植物-微生物互作研究方面取得了一系列突破，主要研究成果分别发表在Science, Nature Genetics,The Plant Cell, Cell Research等国际著名学术期刊。
参考文献：
1. Ertao Wang, et al. A common signaling processthat promotes mycorrhizal and oomycete colonization of plants,Current Biology,2012, 22, 2242-2246
2. Yina Jiang,et al. Plants transfer lipids to sustain colonization by mutualistic mycorrhizal andparasitic fungi, Science, 2017
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