发现豆科植物与根瘤据固氮共生所需的基因

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    [生物通讯]科学家报道，他们发现了一个控制植物与微生物互相作用，彼此间建立起亲密的互惠互利关系的植物基因。

    这篇发表在6月27日《自然》杂志上的研究认为，设计出能够自产氮肥的植物可能要比原来想象的容易。

    该研究计划由英国Sainsbury实验室完成。

    许多植物的根能够与生活在土壤中的特殊真菌建立亲密的关系，植物根部与真菌形成的这种相互依存、互惠互利的共生体称为菌根。菌根分为两种：真菌菌丝主要包被在幼根外表，只有少数侵入皮层的胞间隙中，但不侵入细胞内的称为外生菌根。真菌菌丝侵入皮层细胞内，与细胞的原生质体混生在一起的称为内生菌根。菌根是一种古老的共生关系，许多早期陆生植物的化石中都出现这种现象。

    真菌从土壤中吸收养分尤其是磷酸盐的效率很高，将吸收的磷酸盐与植物中的糖分交换。

    除了菌根，豆科植物还能与一种称为根瘤菌的细菌形成非同寻常、高度专化的共生关系。这种共生关系使细菌从大气中吸收氮气，将其转化为硝酸盐和氨，被植物吸收。

    由于这种共生关系，植物得以自行生产营养自己的肥料。作为回报，细菌也可以吸收和利用植物中的糖分。

    “科学家一直认为豆科植物与根瘤菌之间的这种固氮共生是一种独一无二的合作关系，因而这次发现植物实际上是通过一些共有的基因控制着植物根与真菌的这种联系，的确非常令人兴奋。”该计划的领导人Martin Parniske博士说道。“这表明，固氮共生的进化使用的控制植物与真菌间合作的基因在植物王国中广泛存在。”

“因此，现在我们知道建立与固氮细菌间的共生关系所必需的遗传蓝本实际上存在于所有主要的植物类型中，包括小麦和水稻等重要的经济作物。因此，育种学家们只要对植物的遗传组成做一些相对微笑的变化就可以培育出大量可与固氮细菌建立起共生关系的细菌，从而让植物来自力更生、自产肥料。”

这篇研究描述了一个控制共生关系的一个关键步骤的基因，同时也指出菌根和根瘤菌这两种类型共生关系的  共同之处。

    科学家们将由于某一基因的突变而无法与菌根真菌和固氮细菌形成共生关系的莲科植物与能够与两种菌形成共生关系的正常莲科植物做了比较。

    在突变株系中，共生关系的建立在早期就失败了。通过DNA水平上的分析，科学家们发现与此过程有关的是一个叫做"SYMRK" (symbiosis receptor-like kinase)的基因。该基因编码的蛋白是使莲科植物识别和应答土壤中生活在根部周围的菌根真菌和固氮细菌的链式反应的早期一环所必需的。

    SYMRK分子的化学结构表明，它自身可能就是识别菌根真菌和固氮细菌产生的特异分子并与之结合的受体。

    虽然还需要进行更多的研究，但研究人员推测，SYMRK分子可能坐落于植物根部细胞的外部细胞膜上，与真菌和细菌“拍档”产生的化学信号结合。这个结合过程改变了SYMRK的结构，诱发激活成功建立共生关系的基因所需的级联反应。

    豆科植物与根瘤菌之间的固氮共生被认为是相对晚期的发育进化。感染根瘤菌的植物根部栖息细菌的地方出现节瘤。根瘤被认为是维持固氮反应所需的条件的天然生物反应器。

    出于对根部出现共生细菌的反应，豆科植物的根毛开始发生卷曲。在这些卷曲区域形成感染丝，使细菌可以进入根毛细胞。感染丝引起根部形成节瘤，细菌在节瘤中经历一系列物理和生物学变化来固定大气中氮。

    根瘤菌能够产生一种称为成瘤因子的分子来刺激感染和成瘤前根毛的卷曲应答。在SYMRK基因突变的莲科植物中，成瘤因子不会诱导根毛卷曲。

    Sainsbury实验室在植物与微生物的分子互作研究领域享有崇高的威望。该实验室的主要目标就是探究植物与其共生体和病原体之间的互作所涉及的基本过程。

    Sainsbury实验室的资金主要来自慈善基金会。另外，一些研究委员会、欧盟以及其它组织也给予了一定资助。该实验室位于英国诺里奇自治区的John Innes 中心。John Innes 是一家独立的、在植物和微生物科学研究上全球领先的研究机构。

生物通摘译自BIO.COM