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韩佳嘉和高江云合作在Plant Physiology报道了兰科植物与内生真菌共生的新机制
作者: 来源: 发布时间 : 2023-04-08 10:40:24 点击量:

    近日,善良的小夷子3字中字生物多样性研究院韩佳嘉和高江云合作在国际经典权威期刊Plant Physiology发表了题为“Symbiosis between Dendrobium catenatum protocorms and Serendipita indica involves the plant hypoxia response pathway”的研究论文(https://doi.org/10.1093/plphys/kiad198) ,揭示了S. indica真菌是一种能与多种兰科植物建立菌根共生关系的内生真菌,并发现植物乙醇脱氢酶(ADH)及其相关的低氧应答途径调控了兰科植物铁皮石斛原球茎与S. indica真菌的共生。

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    兰科是所有植物中最大的科之一,大约有 28,000 多个种。兰科植物具有重要的药用和观赏价值,因此遭到了过度的采挖,是全球性的濒危植物类群,也是植物保护中的旗舰类群。兰科植物的种子细小,胚未完全分化、几乎没有胚乳,需要依靠特定共生真菌提供营养来促进其萌发和后续原球茎的生长。原球茎是兰科植物从种子到幼苗形成的中间发育阶段。亲和性真菌能够促进兰科植物的种子萌发,并与原球茎建立菌根共生关系,支持原球茎发育成幼苗。非亲和性真菌有时也能促进兰科植物种子萌发,但无法支持原球茎发育成幼苗。自然界中,大多数维管植物都能够与土壤真菌形成有益的菌根共生关系,包括了丛枝菌根、兰科菌根、杜鹃类菌根等。与丛枝菌根真菌相比,兰科菌根真菌具有很高的宿主特异性,这严重阻碍了兰科植物的繁育和保护工作,因为很难获得能支持原球茎生长成幼苗的亲和性真菌。在本研究中,我们发现内生真菌S. indica是一种广谱的兰科植物亲和性真菌,能够促进了多种(2个属6个种)附生兰科植物的种子萌发,并支持其原球茎发育成幼苗,其中包括了极濒危且具有很高药用价值的铁皮石斛(Dendrobium catenatum syn. Dendrobium officinale)。这为兰科植物的繁育和保护提供了新的有效的真菌资源。

    铁皮石斛是中国传统的名贵中药材,是兰科植物研究的模式物种之一。相比于豆科植物与丛枝菌根真菌或固氮根瘤菌的共生研究,兰科菌根的共生机制还非常不清楚。铁皮石斛原球茎与S. indica真菌的共生,为植物和真菌之间的生物相互作用提供了一个特别而有趣的模型,因为原球茎的生长和发育高度依赖于它的真菌伙伴。近来研究发现,在正常氧气条件下的植物组织中,植物低氧应答途径也会被显著诱导上调,并调控了植物与病原微生物的相互作用。但是,并不清楚植物低氧应答途径是否参与了植物与有益微生物(如:菌根真菌等)的相互作用。

    本研究发现,铁皮石斛乙醇脱氢酶(DcADH)等低氧应答基因在共生原球茎中被特异性的高度诱导,且主要表达在共生原球茎基部的菌根区域。DcADH的乙醇脱氢酶活性在共生原球茎中也显著升高。削弱DcADH的活性,能显著降低原球茎中S. indica真菌的定殖量。这表明,植物乙醇脱氢酶及其相关的低氧应答途径调控了兰科植物原球茎与内生真菌的共生。本研究不仅为兰科植物与内生真菌共生的分子机制研究打开了新的窗口,而且对宿主植物与有益真菌(特别是菌根真菌)相互作用机制的研究具有普遍意义。

    云南大学善良的小夷子3字中字生物多样性研究院,硕士研究生徐志雄(现为中国科学院西双版纳热带植物园助理工程师)和朱薪蒙为论文第一作者,韩佳嘉副研究员和高江云研究员为论文通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划,国家自然科学基金,云南省“双一流”建设联合基金,云南省植物繁殖适应与进化生态学重点实验室等项目经费的资助。

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图:兰科植物铁皮石斛原球茎与内生真菌S. indica的共生

(A) 内生真菌S. indica (Si) 促进铁皮石斛原球茎发育和幼苗形成;

(B, C) 共生原球茎中乙醇脱氢酶(ADH)活性显著升高。

 

 

 


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