深入了解植物和菌根真菌如何合作

数百万年来，地下真菌一直与植物根部共生。植物提供光合作用的碳，而真菌提供水和养分。为了做到这一点，这些生物体在细胞尺度上共享空间：真菌将称为丛枝的卷须网络拉伸到植物的根细胞中，并且两种生物体围绕该结构重新排列其细胞以促进共享。

最近，研究人员已经能够近距离研究这种相互作用的双方，使用RNA测序来了解基因表达：这是迄今为止第一个跨领域的空间分辨转录组学研究。这篇论文作为《自然植物》的封面文章出现。

“我们希望在细胞水平上更好地了解这种共生的本质——真正了解这两种细胞类型(两种不同生物体的)如何相互作用，而没有周围邻居的所有噪音或其他生物活动，”说本杰明·科尔，本书的资深作者。

Cole是美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)的一名研究科学家，该研究所是能源部科学用户设施办公室，位于劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)。

对这种共生关系的具体理解可以在多个方向上提供改进。在真菌方面，地下菌根网络可以作为植物从吸收的二氧化碳中产生的碳化合物的储存库。通过这种方式，鼓励这种共生可以改善土壤储存大气中碳的方式。对于植物来说，促进这种关系可以改善营养贫乏田地中生长的生物燃料原料。

“这是一种相互作用，可以让植物在这些环境中更好地生存，”凯伦·塞拉诺说。她是该论文的第一作者，也是联合生物能源研究所(JBEI)的研究生研究员。

作为2021年实验室定向研究与开发(LDRD)计划的一部分，Cole与JBEI合作领导了这项工作。科尔还于2021年获得了美国能源部早期职业研究计划(ECRP)奖项，该奖项的部分目的是在这项工作的基础上发展。前JGI博士后学者MargotBezrutczyk与Cole和Serrano广泛合作，收集和分析这项工作利用的单核和空间转录组数据。

这些实验同时关注两个物种：模式豆科植物蒺藜苜蓿和菌根真菌不规则根噬菌。

为了了解这些生物体如何合作，该团队将不规则菌孢子直接应用于在受控环境室中生长的蒺藜菌幼苗，以便真菌能够在植物的根部定殖。然后，与未用真菌处理的对照幼苗进行比较，他们使用多种方法来观察植物细胞和真菌细胞中的基因表达。

研究人员利用一种称为单核RNA测序的技术，鉴定了蒺藜根细胞内的不同细胞类型，并分析了它们的基因表达。

然后，研究人员使用一种称为空间转录组学的技术来生成基因表达图谱。这种空间转录组学技术使他们能够了解直径约为55微米(约为人类头发宽度)的圆形捕获区域内的基因表达。在这样的分辨率下，这种空间转录组学数据捕获了来自植物细胞和真菌细胞的分子信息。

Serrano说：“因为这项技术仅依赖于多腺苷酸化转录本捕获(任何来自真核生物的RNA)，所以我们能够捕获植物和真菌转录本。”除了相关植物基因外，该团队还量化了12,000多个真菌基因的表达。

总而言之，这些数据提供了植物和真菌在这种共生的不同阶段的活动的详细视图。在这项活动中，Serrano、Cole和他们的团队发现了1,000多个上调基因，其中188个与同一系统中先前的研究共享。通过正确的功能表征，这些基因可以成为调节这种共生关系的调节器。“这些都是基因工程的绝佳候选者。我们希望整个社区能够跟进，”塞拉诺说。

这项工作的重点是一个相对容易理解的模型系统，因此未来的方向还将包括在类似的研究中针对生物燃料原料。“我们想研究其他生物能源草中的丛枝菌根共生，例如高粱和柳枝稷。我们现在正在优化系统，以便我们能够让这些系统发挥作用，”科尔说。

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