劍橋大學(xué)的植物科學(xué)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(guān)系。共生能夠顯著提高植物從土壤中吸收磷酸鹽等重要營(yíng)養(yǎng)素的能力，并且了解所涉及的過程對(duì)于開發(fā)可持續(xù)的“生物解決方案”以提高糧食產(chǎn)量以滿足日益增長(zhǎng)的全球人口具有巨大潛力。

通過分析不與真菌形成共生關(guān)系的玉米突變株(稱為Zmnope1)，科學(xué)家們?cè)O(shè)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白分子。今天發(fā)表在“自然植物”雜志上的這項(xiàng)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?qū)χ参锔滇尫诺男盘?hào)做出正確反應(yīng)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(guān)重要的共生關(guān)系。

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

NOPE1基因編碼稱為N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)的分子的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它是甲殼質(zhì)的構(gòu)建塊，幾丁質(zhì)是大多數(shù)真菌和許多信號(hào)分子的細(xì)胞壁的主要成分。先前已經(jīng)在真菌病原體白色念珠菌中顯示，當(dāng)GlcNAc被轉(zhuǎn)運(yùn)到真菌細(xì)胞中時(shí)，它激活細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)。它增加了促進(jìn)菌絲生長(zhǎng)的基因的表達(dá)，導(dǎo)致與宿主植物的致病性相互作用。在這項(xiàng)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(dǎo)致真菌侵入植物的根部，并且還表達(dá)有助于它們附著于宿主植物細(xì)胞的毒力基因。

劍橋團(tuán)隊(duì)的工作現(xiàn)在提供了第一個(gè)證據(jù)，證明以前未知的植物GlcNAc轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也在這種關(guān)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白是GlcNAc在植物中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

“這是有史以來第一種據(jù)報(bào)道植物與根際真菌之間不可或缺的植物蛋白，”Paszkowski說。“當(dāng)植物根系和真菌在土壤中交換各種類型的化學(xué)信號(hào)時(shí)，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(hào)分子就會(huì)釋放到根際 - 真菌和植物根部都可以進(jìn)入的土壤區(qū)域。終身共生，所以這是一個(gè)重要的決定。“

長(zhǎng)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(duì)該過程的了解僅限于稱為獨(dú)腳金內(nèi)酯的植物激素對(duì)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(kuò)大其范圍。真菌在植物根部建立并長(zhǎng)出地下分支延伸，稱為菌絲，促進(jìn)土壤中礦物質(zhì)的吸收。這種關(guān)系被稱為共生，因?yàn)殡p方都受益：植物獲得對(duì)通過真菌生長(zhǎng)很重要的礦物質(zhì)，真菌獲得了從植物中生存所需的營(yíng)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(gè)地方，植物一旦用盡了它們下面的土壤中的礦物質(zhì)就無法重新定位。這就是為什么農(nóng)民依賴大量昂貴的肥料來確保其作物生長(zhǎng)良好的原因。了解植物和真菌如何溝通以形成這些共生關(guān)系可能會(huì)導(dǎo)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(yíng)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(guān)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(zhǎng)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(zhǎng)的人口可持續(xù)發(fā)展的一種方法。目前用于將礦物質(zhì)泵入土壤的高濃度化學(xué)肥料不僅對(duì)環(huán)境有害，而且價(jià)格昂貴。現(xiàn)在有可能開發(fā)出能夠在低投入農(nóng)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(guó)家的小農(nóng)可以更好地負(fù)擔(dān)這些生物解決方案，從而獲得良好的作物產(chǎn)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(jì)將達(dá)到90億，生產(chǎn)足夠的糧食將成為本世紀(jì)最大的挑戰(zhàn)之一。Paszkowski和她的團(tuán)隊(duì)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(guó)家和國(guó)際范圍內(nèi)的糧食安全問題。