植物如何與土壤中的有益微生物相互作用
科學(xué)家們多年來一直在想,大豆等豆類是如何根據(jù)其自身細(xì)胞對(duì)這些細(xì)菌產(chǎn)生友好和獨(dú)特的細(xì)菌,以及寄主植物如蛋白質(zhì)找到細(xì)菌并利用營(yíng)養(yǎng)意外收獲?,F(xiàn)在,由馬薩諸塞州阿默斯特大學(xué)的Dong Wang領(lǐng)導(dǎo)的分子生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)與苜蓿 - 苜蓿Medic藜苜蓿一起研究,發(fā)現(xiàn)宿主植物中的基因如何編碼識(shí)別共生細(xì)菌周圍細(xì)胞膜的蛋白質(zhì),然后指導(dǎo)其他蛋白質(zhì)來收獲營(yíng)養(yǎng)。詳細(xì)信息出現(xiàn)在1月份的Nature Plants網(wǎng)站上。
正如Wang解釋的那樣,植物通常會(huì)招募微生物以幫助它們滿足其營(yíng)養(yǎng)需求,提供光合作用的產(chǎn)品作為獎(jiǎng)勵(lì)。大多數(shù)陸生植物使用的過程取決于與菌根真菌的共生關(guān)系。這些形式結(jié)構(gòu)稱為叢枝,幫助植物從土壤中捕獲磷,硫,氮和其他微量營(yíng)養(yǎng)素。Wang說,這種方法類似于清除,因?yàn)橥寥乐锌捎玫牡糠浅S邢蕖?/p>
相比之下,主要在豆科植物中發(fā)現(xiàn)的不太常見的過程又向前邁出了一大步:它使用了一種叫做根瘤菌的細(xì)菌,它們生活在根瘤中并從空氣中固定氮并使其成為氨,一種植物肥料。與根瘤菌的共生意味著豆科植物可以通過固定空氣中的氮來制造氨,這種氣體在78%的大氣層中“基本上是無限的”,生物化學(xué)家補(bǔ)充道。
由于這一壯舉,豆科植物可以根據(jù)需要獲得盡可能多的氮肥,而不是依靠土壤中經(jīng)常稀缺的氮。王說,這就是為什么豆類營(yíng)養(yǎng)豐富的原因。“下次你吃美味的豆腐或毛豆時(shí),你會(huì)吃那些小細(xì)菌,并與豆類'結(jié)婚',謝謝。”
“與我們這個(gè)領(lǐng)域的任何人交談,我們的夢(mèng)想是讓我們的無法解決氮肥的作物成為可能,”王建議說。“這一發(fā)現(xiàn)使我們向前邁進(jìn)了一步。豆類是特殊的,但我們的結(jié)果表明它們并不那么特別,因?yàn)橐恍┗镜幕A(chǔ)設(shè)施已經(jīng)存在于植物中,使用叢枝菌根真菌代替固氮細(xì)菌,沒有人以前明白過。“
由王博士和博士后研究員Huairong Pan以及麻省大學(xué)阿默斯特分校的博士生Onur Oztas和Christina Stonoha以及中國(guó)的其他人組成的研究人員發(fā)現(xiàn),在這兩個(gè)過程中,細(xì)菌和真菌通過特殊編碼蛋白質(zhì)識(shí)別的細(xì)胞膜與植物交換營(yíng)養(yǎng)。由定義其邊界的主機(jī)廠。“這就好像工廠已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了如何建立一種自由貿(mào)易區(qū),”王說。
為了探索這項(xiàng)交易是如何運(yùn)作的,該團(tuán)隊(duì)在麻省大學(xué)阿默斯特分校的資助下,調(diào)查了基因SYNTAXIN 132的活性,該基因編碼識(shí)別細(xì)胞膜并與分泌囊泡相互作用的受體(SYP132)。他們發(fā)現(xiàn)該基因通常會(huì)產(chǎn)生一種總是尋找植物細(xì)胞表面膜的轉(zhuǎn)錄本。但是如果宿主中存在根瘤菌,那么該基因?qū)a(chǎn)生第二種能夠找到細(xì)菌周圍膜的蛋白質(zhì)。令人驚訝的是,與叢枝菌根真菌的共生共享相同的SYP132受體??茖W(xué)家們現(xiàn)在明白,真菌叢中的宿主膜 - 無論是豆科植物還是其他植物 - 與固氮細(xì)菌周圍的膜有很多共同之處。
他補(bǔ)充道,“該基因以某種方式知道細(xì)菌存在并制造替代類型的蛋白質(zhì),它可以在細(xì)菌周圍發(fā)現(xiàn)膜。這意味著宿主可以將兩個(gè)膜分開,可以將它們分類。”
“我們的發(fā)現(xiàn)是兩種SYP132蛋白質(zhì)不盡相同,即使它們來自同一基因。該基因產(chǎn)生兩個(gè)轉(zhuǎn)錄本,這涉及到基因末端附近的一個(gè)不尋常的過程,就像一部有兩個(gè)不同結(jié)局的電影。知道有兩種蛋白質(zhì),“王解釋道。“因此答案是,一個(gè)基因可以使用另外的末端外顯子來制造兩個(gè)末端具有不同序列的蛋白質(zhì)。而這正是確定蛋白質(zhì)在細(xì)胞中最終位置的終點(diǎn)。”
他說,他和他的同事們發(fā)現(xiàn)的新知識(shí)對(duì)于未來的農(nóng)業(yè)進(jìn)步非常重要,因?yàn)橥瑯拥倪^程在大多數(shù)植物中也是如此,氮固定與否。
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