劍橋大學的植物科學家發(fā)現(xiàn)植物蛋白在共生形成的早期就必不可少 - 這是植物和真菌之間的互利關系。共生能夠顯著提高植物從土壤中吸收磷酸鹽等重要營養(yǎng)素的能力，并且了解所涉及的過程對于開發(fā)可持續(xù)的“生物解決方案”以提高糧食產量以滿足日益增長的全球人口具有巨大潛力。

通過分析不與真菌形成共生關系的玉米突變株(稱為Zmnope1)，科學家們設法找到了缺失的基因 - NOPE1 - 它編碼了之前未在植物中描述過的轉運蛋白分子。今天發(fā)表在“自然植物”雜志上的這項新研究表明，如果土壤中的有益真菌(稱為叢枝菌根真菌(AM)真菌)能夠對植物根系釋放的信號做出正確反應并開始植物的過程，植物的NOPE1基因必須正常工作。形成這種至關重要的共生關系。

研究首席研究員兼研究組組長Uta Paszkowski博士說：“真菌和植物需要彼此作為共生伙伴，溝通對于尋找彼此至關重要。”“野生型植物會釋放出能夠共生真菌的東西，但如果植物由于缺少轉運蛋白而無法與真菌交談，真菌將無法應對。”

NOPE1基因編碼稱為N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)的分子的轉運蛋白，它是甲殼質的構建塊，幾丁質是大多數(shù)真菌和許多信號分子的細胞壁的主要成分。先前已經在真菌病原體白色念珠菌中顯示，當GlcNAc被轉運到真菌細胞中時，它激活細胞信號傳導。它增加了促進菌絲生長的基因的表達，導致與宿主植物的致病性相互作用。在這項新的研究中，AM真菌暴露于具有功能性NOPE1的水稻植物根系的滲出物具有類似的作用，導致真菌侵入植物的根部，并且還表達有助于它們附著于宿主植物細胞的毒力基因。

劍橋團隊的工作現(xiàn)在提供了第一個證據(jù)，證明以前未知的植物GlcNAc轉運蛋白也在這種關系的另一方起作用 - 在AM真菌植物根系定植的起始。顯示野生型水稻根獲得并釋放GlcNAc，攝取明顯依賴于NOPE1。他們鑒定的轉運蛋白是GlcNAc在植物中發(fā)現(xiàn)的第一個質膜轉運蛋白。

“這是有史以來第一種據(jù)報道植物與根際真菌之間不可或缺的植物蛋白，”Paszkowski說。“當植物根系和真菌在土壤中交換各種類型的化學信號時，共生就開始了。甚至在兩種生物體發(fā)生物理接觸之前，信號分子就會釋放到根際 - 真菌和植物根部都可以進入的土壤區(qū)域。終身共生，所以這是一個重要的決定。“

長期以來已知存在植物和真菌之間的共生相互作用，但直到現(xiàn)在，對該過程的了解僅限于稱為獨腳金內酯的植物激素對真菌代謝和發(fā)育的刺激作用。通過與叢枝菌根真菌(AM)真菌的巧妙聯(lián)系，植物通過增加根的表面積顯著擴大其范圍。真菌在植物根部建立并長出地下分支延伸，稱為菌絲，促進土壤中礦物質的吸收。這種關系被稱為共生，因為雙方都受益：植物獲得對通過真菌生長很重要的礦物質，真菌獲得了從植物中生存所需的營養(yǎng)。

共生可以極大地影響野生和栽培系統(tǒng)中的植物性能。固定在這個地方，植物一旦用盡了它們下面的土壤中的礦物質就無法重新定位。這就是為什么農民依賴大量昂貴的肥料來確保其作物生長良好的原因。了解植物和真菌如何溝通以形成這些共生關系可能會導致開發(fā)更便宜，環(huán)保的方法，以確保作物獲得所需的所有營養(yǎng)。

“通過更好地理解這種早期的溝通過程，我們可以找到管理共生關系的方法，例如為了從土壤中更快地向作物提供養(yǎng)分，”Paszkowski說。“在生長季節(jié)短的作物中，加快共生發(fā)展可以減少所需磷肥的數(shù)量。這將是一種更便宜，更可持續(xù)的種植作物的方式。”

管理這種生物肥料作物的自然過程可能是幫助世界不斷增長的人口可持續(xù)發(fā)展的一種方法。目前用于將礦物質泵入土壤的高濃度化學肥料不僅對環(huán)境有害，而且價格昂貴?，F(xiàn)在有可能開發(fā)出能夠在低投入農業(yè)系統(tǒng)中更好地發(fā)揮作用的新作物。世界上較貧窮國家的小農可以更好地負擔這些生物解決方案，從而獲得良好的作物產量和家庭的良好收入，幫助他們擺脫貧困。

到2050年，全球人口估計將達到90億，生產足夠的糧食將成為本世紀最大的挑戰(zhàn)之一。Paszkowski和她的團隊是劍橋劍橋全球糧食安全倡議的成員，該倡議參與解決地方，國家和國際范圍內的糧食安全問題。