研究人員揭示了植物真菌共生的核心基因組

博伊斯湯普森研究所(BTI)的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)了一種名副其實(shí)的基因庫(kù)，這些基因被植物用來(lái)與真菌形成共生關(guān)系，大大增加了這種農(nóng)業(yè)價(jià)值相互作用的遺傳基礎(chǔ)知識(shí)。

大多數(shù)陸生植物通過(guò)與稱為叢枝菌根(AM)共生的土壤真菌的共生關(guān)系獲得大部分礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)。但是，盡管進(jìn)行了數(shù)十年的研究，但形成這種關(guān)系所需的許多基因仍然是難以捉摸的。現(xiàn)在，隨著廣泛可用的基因組序列的出現(xiàn)，BTI研究人員能夠比較50種植物基因組，以鑒定由能夠共生AM共生的植物共享的138種基因。這些發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在“ 自然植物 ”雜志上，可能最終使我們更接近于開發(fā)沒(méi)有添加肥料而茁壯成長(zhǎng)的植物。

“目前，我們的研究領(lǐng)域只發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾種專門用于AM共生的基因，我們知道我們的知識(shí)存在巨大差距，”資深作者M(jìn)aria Harrison說(shuō)，他是BTI的William H. Crocker教授。“這138種基因是一種寶貴的資源，為植物細(xì)胞攜帶真菌共生體提供了新的見解。”

過(guò)去，研究人員通過(guò)耗時(shí)的遺傳篩選確定了與AM共生有關(guān)的基因，這可能需要五年才能完成。通過(guò)這種方法從桶狀藥用植物(Medic藜苜蓿)中鑒定出一些基因后，研究人員指出，這些AM共生基因中的一些缺失來(lái)自另一種不攜帶真菌的植物物種。這種認(rèn)識(shí)激發(fā)了Nathan Pumplin，他是Harrison實(shí)驗(yàn)室的前研究生，他開始采用基因組比較方法，以期找到更符合這種模式的基因。

“這種方法依賴于化石證據(jù)支持的觀點(diǎn)，AM共生只是在陸地植物進(jìn)化的早期進(jìn)化過(guò)一次，因此所有攜帶共生的植物都可能遺傳了一組相似的基因。失去了這種能力的植物群體據(jù)推測(cè)，形成共生關(guān)系已經(jīng)失去了所需的基因，“博士后科學(xué)家，論文的第一作者阿曼多·布拉沃說(shuō)，他繼續(xù)開發(fā)這個(gè)項(xiàng)目。

Bravo與BTI的生物信息學(xué)分析師Thomas York合作，比較了可以形成共生的34 種植物的基因組序列，而不能形成共生的16 種。他們一起挑選出僅在形成AM共生的植物中發(fā)現(xiàn)的基因，并從最初的62,000種可能性列表中獲得，僅得到138個(gè)基因。已知其中15個(gè)在AM共生中發(fā)揮作用，Bravo通過(guò)培養(yǎng)那些基因突變的桶狀醫(yī)生并檢查它們形成成功共生的能力來(lái)測(cè)試該組中7個(gè)未知基因的準(zhǔn)確性。其中六個(gè)基因的突變導(dǎo)致了錯(cuò)誤的相互作用。

對(duì)發(fā)現(xiàn)的新基因的分析突出了共生期間脂質(zhì)生物合成的重要性。雖然分析不能單獨(dú)列出植物共生所需的每個(gè)基因，但它確實(shí)挑選出除了共生之外沒(méi)有其他功能的基因。“我認(rèn)為它確實(shí)向你展示了生物信息學(xué)的力量，”BTI的合著者兼副教授Lukas Mueller說(shuō)。“如果你有很多基因組，你就有更多的力量來(lái)回答問(wèn)題。”在未來(lái)，研究人員計(jì)劃調(diào)查剩余的131個(gè)基因，并用它們來(lái)了解共生的發(fā)展和調(diào)節(jié)。

幾乎所有的主食作物都與AM共生，因此通過(guò)作物育種來(lái)優(yōu)化這種相互作用可以提高產(chǎn)量并減少對(duì)肥料的需求。

為了開始這項(xiàng)工作，研究人員獲得了三合會(huì)基金會(huì)的慷慨資助，該基金會(huì)是一家位于伊薩卡的國(guó)家慈善組織。該補(bǔ)助金支持難以通過(guò)傳統(tǒng)資金來(lái)資助的高風(fēng)險(xiǎn)，高回報(bào)的研究。該研究還得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(#IOS-1127155)的支持。

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