Ectomycorrhizal Colonization and Diversity in Relation to Tree Biomass and Nutrition in a Plantation of Transgenic Poplars with Modified Lignin Biosynthesis
- 作者
- Lara Danielsen, Gertrud Lohaus, Anke Sirrenberg, Petr Karlovsky, Catherine Bastien, Gilles Pilate, Andrea Polle
- 单位
- Department of Forest Botany and Tree Physiology, Büsgen-Institute, Georg-August University of Göttingen, Göttingen, Germany; Department of Molecular Phytopathology and Mycotoxin Research, University of Göttingen, Göttingen, Germany; INRA, URO588 Amélioration, Génétique et Physiologie Forestières, CS 40001 Ardon, Orléans, France
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0059207
- 所属领域
- 林业生物技术 / 菌根生态学
- 关键词
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解决的核心问题
转基因木质素改良杨树对外生菌根真菌定殖与群落多样性的潜在影响，及其与树木生物量和营养状况的关系尚不清楚。
研究策略
在田间短轮伐林分中，以野生型及7个分别抑制CAD、COMT或CCR活性的转基因杨树株系为材料，连续两年测定外生菌根定殖率、群落组成、生长和营养元素，并与商业杨树克隆进行比较；利用NMDS、GLM等统计建模关联菌根参数与生物量及营养。
核心内容
该研究在田间短轮伐林分中，以木质素合成途径中CAD、COMT或CCR被抑制的7个转基因杨树株系及野生型为材料，连续两年评估了外生菌根定殖率、群落组成与树木生长和营养的关系。结果显示，一年生转基因杨树外生菌根定殖率为58%–86%，两年生时几乎全部根尖被定殖；菌根物种数从第一年的8种增至第二年的30种，Shannon-Wiener指数由平均1.2升至2.1。群落排序分析表明不同转基因株系间菌根群落存在显著分离（R²=0.43, p=0.001），但并未按基因修饰类型区分，提示菌根群落分化具有基因型特异性而非基因特异性。广义线性模型以茎氮浓度和菌根定殖率模拟一年生茎生物量，调整R²达97%，其中茎氮浓度呈负相关（F=101.1, p=0.0006），菌根定殖率呈正相关（F=10.8, p=0.03）。该研究表明木质素途径改造的转基因杨树保留了正常形成外生菌根的能力，菌根定殖在短轮伐林建立期与木材产量正相关，且这一早期生长优势可延续至次年。
创新点
首次在田间条件下评估木质素生物合成途径改造（CAD/COMT/CCR抑制）对杨树外生菌根群落的影响，发现菌根群落分化具有基因型特异性而非基因特异性，且建立茎生物量与菌根定殖率、茎氮浓度的定量模型。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Populus tremula × Populus alba (INRA #717-1B4, syn. P. × canescens) | 木质素生物合成途径 | CAD (cinnamyl alcohol dehydrogenase) | 肉桂醇脱氢酶 | 催化 | 转基因株系ASCAD21=L21, ASCAD52=L18, SCAD1=L22，酶活性被抑制，导致木质素组成改变 |
| Populus tremula × Populus alba (INRA #717-1B4, syn. P. × canescens) | 木质素生物合成途径 | COMT (caffeate/5-hydroxyferulate O-methyltransferase) | 咖啡酸/5-羟基阿魏酸O-甲基转移酶 | 催化 | 转基因株系ASOMTB2B=L9, ASOMTB10B=L11，酶活性被抑制，影响紫丁香基木质素合成 |
| Populus tremula × Populus alba (INRA #717-1B4, syn. P. × canescens) | 木质素生物合成途径 | CCR (cinnamoyl-CoA reductase) | 肉桂酰辅酶A还原酶 | 催化 | 转基因株系FS3=L5, FAS13=L7，酶活性被抑制，导致木质素含量降低 |
| Populus deltoides × Populus nigra (商业克隆Ghoy, I-214, Soligo) | — | — | — | 调控 | 商业杨树克隆作为对比，分析其外生菌根群落，用于评估转基因株系菌根差异的幅度 |
| — | 外生菌根共生体系 | — | — | 转运 | 研究涉及的菌根真菌如Paxillus involutus、Laccaria tortilis、Peziza ostracoderma等，通过共生促进寄主养分吸收 |
关键发现
- 一年生杨树外生菌根定殖率为58%–86%（CAD L22最低58%，CAD L18最高86%），两年生时几乎全部根尖被定殖（约99%–100%）
- EM物种数从第一年的8种增至第二年的30种
- Shannon-Wiener指数从平均1.2升至2.1（p<0.001），Simpson指数从0.65升至0.83，稀疏化物种丰富度从5.5升至13.6
- NMDS显示第二年不同转基因株系间EM群落分离（R²=0.43, p=0.001），但未按基因修饰类型分离
- GLM模型以茎N浓度和菌根定殖率模拟一年生茎生物量，调整R²=97%，模型F=108.4，p=0.0003，其中N浓度负相关（F=101.1, p=0.0006），菌根定殖率正相关（F=10.8, p=0.03）
- 转基因株系间茎N浓度差异显著，如CAD L22茎N为10.757 mg/g，而CAD L21为8.055 mg/g
- 叶片P、K浓度与Peziza ostracoderma相对丰度负相关（P: R=-0.808, p=0.015
- K: R=-0.713, p=0.047）。
研究结论
木质素生物合成途径被抑制的不同转基因杨树株系保留了正常形成外生菌根的能力，菌根群落结构的基因型间差异与常规商业克隆的种内差异相当；初始阶段菌根定殖率与茎生物量正相关、与茎氮浓度负相关，提示菌根定殖可能在短轮伐林建立期影响木材产量，且这种早期生长优势可延续至次年。