母雞塞巴斯蒂安Schornack開(kāi)始他的研究小組在實(shí)驗(yàn)室塞恩斯伯里在劍橋大學(xué)在2013年，他被某些植物病原體和有益微生物，幫助植物從土壤中吸取養(yǎng)分之間的相似之處很感興趣。例如，共生的菌根真菌將稱(chēng)為叢枝菌的分枝結(jié)構(gòu)發(fā)送到宿主植物的細(xì)胞中，以交換水和礦物質(zhì)來(lái)代替蔗糖等碳水化合物。以類(lèi)似的方式，絲狀真菌和水霉病病原體將指狀的吸器延伸到植物細(xì)胞中 - 但在這種情況下，幫助入侵者為自己的繁殖吸收營(yíng)養(yǎng)。

在這兩種情況下，植物通過(guò)在突出到植物細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)周?chē)鷺?gòu)建膜并且將材料輸送到該界面和從該界面輸送材料來(lái)主動(dòng)地適應(yīng)入侵。在Schornack看來(lái)，有一些基本的“參與規(guī)則”指導(dǎo)這些安排，表明在進(jìn)化上古老 - 因而可能廣泛共享 - 建立和維持植物 - 微生物關(guān)系的機(jī)制，他想要根除它們。

為了做到這一點(diǎn)，他轉(zhuǎn)向一種致病的原生生物，被稱(chēng)為水霉菌或卵菌，看起來(lái)像一個(gè)絲狀真菌，但細(xì)胞壁更像植物的細(xì)胞壁。Schornack選擇的特殊物種Phytophthora palmivora負(fù)責(zé)油棕和可可樹(shù)的破壞性流行病。作為位于諾威奇Sainsbury實(shí)驗(yàn)室的Sophien Kamoun實(shí)驗(yàn)室的博士后，Schornack發(fā)現(xiàn)，除了能夠感染一系列作物物種外，還有P. palmivora還可以感染豆科植物的根，開(kāi)發(fā)廣泛的絲狀過(guò)程網(wǎng)絡(luò)，并將吸收劑傳遞到植物的細(xì)胞中。重要的是，卵菌不會(huì)立即殺死，讓研究人員有時(shí)間研究寄生蟲(chóng)和寄主之間的相互作用。它是探索這種有害的微生物相互作用與植物眾所周知的互利共生之間的相似之處的完美病原體。

作為他在新實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)項(xiàng)目之一，Schornack利用了一套豆科植物突變體，共生受損。他嘗試用P. palmivora感染這些植物，并發(fā)現(xiàn)了兩種同樣受到感染的突變體(New Phytol，206：497-500,2015)。Schornack說(shuō)，“我發(fā)現(xiàn)共生和寄生過(guò)程之間存在一些重疊但不完全重疊”。

與此同時(shí)，他開(kāi)始探索 P. palmivora感染其他作物的能力，包括煙草，大麥和小麥。他發(fā)現(xiàn)，每株植物都能容納病原體的手指狀的吸器。所以他決定嘗試與這些開(kāi)花植物最相關(guān)的植物譜系相同的東西：苔類(lèi)植物，沒(méi)有葉子或根的苔蘚樣植物。如果在這組植物中發(fā)生了類(lèi)似的事情，那么就會(huì)發(fā)現(xiàn)在最早的陸生植物中存在用于適應(yīng)這種入侵的途徑，然后才會(huì)從植物王國(guó)的其他部分分支出來(lái)。

Schornack親自做了第一次測(cè)試。“這是一個(gè)星期五下午的實(shí)驗(yàn)，”他說(shuō)。他用一點(diǎn)V8蔬菜汁培養(yǎng) P. palmivora 一周，然后用冷水淹沒(méi)盤(pán)子以刺激病原體產(chǎn)生游動(dòng)孢子，卵菌和其他一些微生物用來(lái)無(wú)性繁殖的精子樣細(xì)胞。接下來(lái)，他使用滴管將富含游動(dòng)孢子的懸浮液轉(zhuǎn)移到地 錢(qián)Marchantia polymorpha的表面。

在這兩種情況下，植物都積極地適應(yīng)入侵。

幾天后，他看到了植物壞死的最初跡象，在顯微鏡下，他可以看到細(xì)胞穿透的吸器的發(fā)育，這表明，苔蘚以與作物物種和豆類(lèi)相同的方式適應(yīng)寄生蟲(chóng)的入侵。 。“我很興奮，”他說(shuō)。“這表明[地錢(qián)和開(kāi)花植物]的共同祖先已經(jīng)配備了處理微生物存在于其細(xì)胞內(nèi)的問(wèn)題。”

Schornack實(shí)驗(yàn)室的成員隨后對(duì)這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了跟進(jìn)。最近博士畢業(yè)生Carolin Alfs，現(xiàn)在在萊布尼茨植物生物化學(xué)研究所，用無(wú)數(shù)的P. palmivora菌株感染了各種地錢(qián)種，每次病原體成功滲透，并在一周內(nèi)殺死了植物。在感染過(guò)程中采取了苔蘚的橫截面，博士后Philip Carella發(fā)現(xiàn)一些haustoria不是簡(jiǎn)單的指狀突起，而是分叉的方式更接近于共生真菌的復(fù)雜分支叢枝(PNAS，115：E3846- 55,2018)。

“在菌根和這些病原體之間看起來(lái)結(jié)構(gòu)非常相似，” 慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)植物微生物相互作用專(zhuān)家Martin Parniske說(shuō)道，他與Schornack合作但沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“這是一個(gè)明顯的假設(shè)，即這些病原體利用共生菌根的適應(yīng)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的過(guò)程。”

深入研究苔蘚感染的分子水平，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了相似之處。具體地，已知在響應(yīng)于共生滲透時(shí)參與細(xì)胞周?chē)哪遗荽┧蟮乃^的突觸融合蛋白在植物乳桿菌感染期間在植物中上調(diào)。Schornack和他的團(tuán)隊(duì)使用經(jīng)過(guò)改造產(chǎn)生熒光蛋白質(zhì)的肝臟線，發(fā)現(xiàn)syntaxin定位于病原體的吸器。“這些蛋白質(zhì)不僅在定植過(guò)程中產(chǎn)生更多，它們實(shí)際上也在相互作用的地方，”Schornack說(shuō)。

Schornack說(shuō)，了解這些植物入侵者的相互作用可能有助于研究人員對(duì)抗P. palmivora等生物體的感染，但是在研究人員能夠說(shuō)出共生和致病性入侵之間存在多少重疊之前還有很長(zhǎng)的路要走。可以確定他仍然尋求的那些共同的參與規(guī)則。Schornack指出，即使在這兩種情況下確實(shí)起作用的基因和蛋白質(zhì)，例如似乎抵抗共生和致病性入侵的兩種突變豆科植物的基因改變，也可能以不同的方式發(fā)揮作用。“這仍然在進(jìn)行中。”

紐約州北部博伊斯湯普森研究所的植物生物學(xué)家謝爾蓋·伊萬(wàn)諾夫(Sergey Ivanov)認(rèn)為，在研究人員得出結(jié)論認(rèn)為一些相同的途徑是共生和發(fā)病機(jī)制的基礎(chǔ)之前，需要確定更常見(jiàn)的因素。雖然Schornack的工作成功地表明“絲狀病原微生物可以感染早期的不同植物，”他說(shuō)，研究人員需要完成關(guān)于突觸蛋白和其他潛在重疊因子的作用的“更全面和定量的分析”，以斷言病原體是正如Schornack懷疑的那樣，正在利用共生過(guò)程。

但如果它們是“那將是非常引人注目的，”伊萬(wàn)諾夫說(shuō) - “數(shù)百萬(wàn)年來(lái)，植物為許多不同的微生物保留了同樣的計(jì)劃。