主题： NMT在植物微生物互作（根瘤菌、菌根真菌）研究上的应用成果

外生菌根是寄主根部与某些真菌形成的共生组织，并可以增强寄主植物对Cd²⁺的耐受能力，但其生理学和分子学机制尚不明确。


本研究以卷缘桩菇菌与银灰杨根部形成的外生菌根为研究对象，揭示木本植物的外生菌根对寄主镉耐受能力的影响。有菌根银灰杨与无菌根银灰杨经过镉处理5min后对比，通过非损伤微测（NMT）技术检测发现，前者根尖有更多的Cd²⁺内流且H⁺外排更强，H⁺-ATP抑制剂处理后，后者Cd²⁺吸收趋于消失，而有菌根银灰杨根尖对Cd²⁺吸收下降较少。


实验结合气体交换测量、基因转录水平检测，证明外生菌根提升了寄主对Cd²⁺的吸收能力，可能与增加了根部体积以及与Cd²⁺吸收、运输相关基因的超表达有关，此外通过提升镉解毒能力、营养与碳水化合物水平，从而提高了银灰杨对Cd²⁺的耐受能力，这为植物修复提供了新思路。



丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)真菌在自然界中广泛存在，能与绝大多数的陆地高等植物形成共生体系，是迄今发现的与植物关系最为密切的土壤微生物之一。很多研究表明，菌根共生体系对于植物适应各种逆境胁迫具有重要意义。有关丛枝菌根在植物抵御干旱胁迫中的积极作用已有较多文献报道，但多数研究集中在AM真菌的间接作用，及菌根影响植物自身抗旱生理方面，而对于AM真菌增强植物抗旱性的直接作用，尤其是干旱胁迫下AM真菌帮助宿主植物吸收水分的分子证据，还是一项研究空白。


2013年初，中国科学院生态环境研究中心陈保冬研究组在丛枝菌根提高宿主植物抗旱性分子机制研究方面取得重要进展，首次克隆和证实了AM的水通道及其功能，研究结果发表在国际著名植物学期刊《New Phytologist》（Impact Factor: 6.645）。


陈保冬研究组采用5-和3’-RACE技术，从AM真菌Glomus intraradices中克隆了两个水通道基因GintAQPF1和GintAQPF2。使用非损伤微测技术（NMT）测定了毕赤酵母的Ca²⁺和H⁺流速，发现25%的PEG促进了转染GintAQPF1和GintAQPF2基因的Ca²⁺内流和H+外流，1M的甘油抑制了Ca²⁺内流和H⁺外流，说明这两个水通道蛋白具有调控Ca²⁺信号和质子外排的作用，进一步证实了水通道蛋白的功能，尤其是在活体中的功能。


GintAQPF1和GintAQPF2是在AMF中第一次报道的两个功能性的水通道基因，水通过AMF运输到宿主植物，这就说明AMF在植物干旱忍耐中起到重要作用。该研究为丛枝菌根真菌吸收水分提供了直接的分子证据，有助于人们更全面地认识逆境胁迫下菌根真菌和宿主植物之间的互动机制，同时也揭示了AM真菌在维系干旱半干旱地区脆弱生态系统结构和功能稳定中的潜在重要作用。







大多数豆科植物与真菌共生。丛枝菌根真菌（AM）对磷（P）的吸收和根瘤菌对氮（N2）的固定具有重要的农学和生态学意义。植物-AM真菌-根瘤菌三个共生如何高效吸收营养的机制受到很多关注。AM真菌和根瘤菌能够有效地增加固氮和植物对土壤中磷的吸收，但这破坏了根部阴阳离子平衡，过多的阳离子需要从根部分泌出来才能达到平衡，H⁺是分泌的最主要阳离子。然而，无论根瘤能够直接释放H⁺引起土壤的酸化，以及AM真菌怎么影响真菌菌根的这个过程还是不清楚。


2011年中国农业大学的科学家把丛枝菌根真菌（GM）和慢生大豆根瘤菌（BJ）注射到大豆苗中，通过原位的非损伤微测技术研究了两种真菌单独的作用和相互作用对根瘤或者根外菌丝的H⁺外流。GM把真菌菌根侧根根瘤的H+外流提高了3倍，BJ把侧根接近根瘤部位菌丝的H⁺外流提高了8倍。植物P含量的增加与根瘤和菌丝的H⁺外流呈显著的线性正相关。研究结果认为侧根AM真菌诱导了固氮酶的活性，增加了根瘤的H⁺外流。


这项研究使我们认识到真菌菌根和根瘤菌相互作用增加了根瘤空间和菌丝空间酸化的程度，对进一步研究植物固氮和P的作用提供了依据。

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菌根化是一种典型的宿主植物-真菌共生互作，尽管有大量的解剖学及生理学研究清楚地表明真菌菌根可以增大宿主植物根部吸收面积、合成并向土壤释放有机化合物及菌体外酶以固定营养成分、调控宿主植物根部参与跨膜营养物质转运的蛋白，但其具体机制，目前尚不清楚。


最近，《New Phytologist》杂志报道了葡萄牙研究人员Feijó等利用“非损伤微测技术”(NMT)研究离子流在菌根生长过程中作用的成果。他们检测了豆马勃属真菌（ECM）侵染后及未经侵染处理的桉树根部H⁺、Ca²⁺及阴离子A-(以Cl^-代替)的离子流。同时，他们利用特异性抑制剂矾酸盐、钆及4,4-二异硫氰2,2-二磺酸芪(DIDS)分别抑制质子泵、钙离子通道、氯离子转运通道，并再次分别检测了上述三种离子流。结果发现，真菌侵染主要作用于根部伸长区，离子运动及根围酸化能力都发生了剧烈变化，而且离子流变化呈现周期性变化。连续波长光谱分析表明，ECM根部H⁺及A-离子流的变化周期较未经侵染的长，而ECM根部的Ca²⁺振荡则完全消失。


根据上述结果，Feijó等通过构建模型解释植物养分吸收及生长加速是通过侵染真菌介导，依赖pH的变化，而且ECM营养的主要供应是植物的根，发现Ca²⁺在这一过程中发挥了重要的作用，这为揭开植物-真菌共生互作提供了证据和模型。

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（1）Ion fluxes in Paxillus involutus-inoculated roots of Populus × canescensunder saline stress.（Environmental and Experimental Botany，C2014-021）


（2）Mycorrhiza-induced lower oxidative burst is related with higher antioxidant enzyme activities, net H₂O₂ effluxes, and Ca²⁺ influxes.（Mycorrhiza，C2014-012）


（3）Paxillus involutus strains MAJ and NAU mediate K⁺/Na⁺ homeostasis in ectomycorrhizal Populus × canescens under NaCl stress.（Plant Physiology，C2012-010）


（4）Arbuscular mycorrhizal fungi induce differential activation of the plasma membrane and vacuolar H⁺ pumps in maize roots.（Mycorrhiza，F2009-002）


（5）Proton (H⁺) flux signature for the presymbiotic development of the arbuscular mycorrhizal fungi.（New Phytologist，F2008-019）


（6）pH signature for the responses of arbuscular mycorrhizal fungi to external stimuli.（Plant Signaling & Behavior，F2008-018）


（7）Ion Dynamics During the Polarized Growth of Arbuscular Mycorrhizal Fungi-From Presymbiosis to Symbiosis.（MYCORRHIZA: Structure Function and Biotechnology，F2008-013）