Engineering Mycorrhizal Symbioses to Alter Plant Metabolism and Improve Crop Health
- 作者
- Katherine E. French
- 单位
- Department of Plant Sciences, University of Oxford, Oxford, United Kingdom
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2017）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2017.01403
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用丛枝菌根真菌与植物的共生关系改变植物代谢、提高作物健康，并探索合成生物学改造菌根真菌的潜力。
研究策略
综述丛枝菌根共生对植物代谢的影响及对作物健康的三方面益处（抗病、抗旱、重金属耐受），并系统提出以Rhizophagus irregularis为底盘、通过合成生物学手段改造菌根真菌的思路。
核心内容
该论文系统综述了丛枝菌根真菌与植物共生对作物健康的多方面益处，并前瞻性地提出利用合成生物学改造菌根真菌以增强其功能。丛枝菌根真菌可与超过80%的维管植物形成共生关系，感染后宿主细胞线粒体数量增加3倍，接种Rhizophagus irregularis可使5种植物18–45%的核心代谢组发生种特异性变化。在抗病方面，接种菌根真菌使真菌病害减少30–42%，线虫侵染减少44–57%；在重金属耐受方面，非菌根真菌细胞壁可吸收高达90%的土壤重金属离子。作者以已完成全基因组测序的R. irregularis为底盘，系统列出了可用于抗旱、重金属解毒、氮磷吸收及防御改良的具体遗传靶点，涵盖海藻糖代谢、金属硫蛋白、水通道蛋白、磷酸盐转运蛋白等关键基因。该研究为将合成生物学工具引入菌根真菌、开发具有增强共生能力和新功能的微生物底盘提供了路线图，对可持续农业发展具有重要指导意义。
创新点
提出将合成生物学应用于丛枝菌根真菌，以已全基因组测序的Rhizophagus irregularis作为底盘，列表给出可用于抗旱、重金属耐受、氮磷吸收、防御等改良的具体遗传靶点。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhizophagus irregularis | 海藻糖代谢 | NTH1 | Trehalase (EC 3.2.1.28) | 催化 | 干旱耐受相关，UniProt A4QMP6 |
| Rhizophagus irregularis | 海藻糖代谢 | TPS2 | Trehalose-6-phosphate (Fragment) | 催化 | 干旱耐受相关，UniProt A4QMP8 |
| Rhizophagus irregularis | 重金属解毒 | ntMT1 | Metallothionein 1 | 转运 | 重金属耐受，UniProt B0AZW1 |
| Rhizophagus irregularis | 氮素转运 | — | Nitrate transporter (Fragment) | 转运 | 氮吸收，UniProt D7P896 |
| Rhizophagus irregularis | 水分转运 | AQP1 | Aquaporin 1 | 转运 | 营养交换，UniProt C8YX12 |
| Rhizophagus irregularis | 磷酸盐转运 | PT | Phosphate transporter (Fragment) | 转运 | 磷吸收，UniProt G0Z6L2 |
| Rhizophagus irregularis | 磷酸盐转运 | — | Phosphate transporter | 转运 | 磷吸收，UniProt Q8X1F6 |
| Rhizophagus irregularis | 细胞壁合成 | CHS | Chitin synthase (EC 2.4.1.16) | 催化 | 植物防御相关，UniProt Q9C0Q8 |
| Rhizophagus irregularis | 硫代谢 | — | Germinating spore putative ATP-sulfinylase (Fragment) | 催化 | 共生相关，UniProt B5U322 |
| Rhizophagus irregularis | 蛋白质合成 | EF1-alpha | Elongation factor 1-alpha (Fragment) | 调控 | 共生相关，UniProt C7EXJ7 |
| Rhizophagus irregularis | 共生信号 | myc2 | MYC2 (Fragment) | 调控 | 转录因子，UniProt Q9UV76 |
| Rhizophagus irregularis | 蛋白质合成 | EF1-alpha | Elongation factor 1-alpha (Fragment) | 调控 | UniProt Q2V9G7 |
| Rhizophagus irregularis | 蛋白质合成 | tef1a | Elongation factor 1-alpha (Fragment) | 调控 | UniProt Q659Q9 |
| Rhizophagus irregularis | 共生信号 | myc1 | MYC1 (Fragment) | 调控 | 转录因子，UniProt Q9UV77 |
关键发现
- 丛枝菌根真菌与超过80%的维管植物形成共生
- 目前已知200余种AMF。感染后宿主细胞线粒体数量增加3倍。接种Rhizophagus irregularis导致5种植物（Plantago lanceolata, P. major, Veronica chamaedrys, Medicago truncatula, Poa annua）18-45%的核心代谢组发生种特异性变化。接种菌根真菌使真菌病害减少30-42%，线虫侵染减少44-57%。Selaginella lepidophylla中海藻糖占植物体干质量的12.5%。非菌根真菌（Aspergillus, Phanerochaete, Trichoderma等）细胞壁可吸收高达90%的土壤重金属离子。三种菌丝长度超常的AMF：Acaulospora laevis（10.55 cm）、Glomus calospora（12.3 cm）、Glomus tenue（14.2 cm）。Burkholderia spp.与Gigaspora和Scutellospora共生，每孢子可含25万个细菌。Rhizophagus irregularis是唯一完成全基因组测序的AMF。
研究结论
丛枝菌根共生对发展可持续农业具有巨大潜力，未来应结合合成生物学开发具有增强共生能力和新功能的菌根真菌底盘，同时需保护和监测全球AMF多样性。