真菌更喜欢从植物根部“揩油”，而非“吃糖”
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2017-06-09 08:48
在自然界，一些真菌靠寄生在植物身上来获取营养，求得温饱。它们之间可能是互利共生的，也可能相爱相杀，如病原真菌的寄生。它们像是人体内的肠道菌群，只不过不是细菌，而是真菌。
长期以来，人们一直以为，糖，尤其是葡萄糖，是植物供给这些真菌的主要营养物质。这已经被写进了教科书。
但教科书将被改写。最新发表在国际知名学术期刊《科学》（Science）的一项研究成果颠覆了人们的这一认知。研究人员证明植物提供给真菌的主要的含碳营养物质是脂肪酸，而非糖。
植物微生物共生。 王二涛 图
真菌更喜欢“揩油”
6月8日下午，标题为《植物转运脂质给真菌以维持共生或病原真菌的寄生》（Plants transfer lipids to sustain colonization by mutualistic mycorrhizal and parasitic fungi）的研究论文在线发表在《科学》上。研究人员提出证据，证明植物提供给真菌的主要的含碳营养物质是脂肪酸，而非糖。
该研究主要由姜伊娜博士后和博士研究生王万晓、谢秋瑾等人，在中国科学院上海植物生理生态研究所研究员王二涛指导下完成。
王二涛研究员形象地描述这一过程为，真菌更喜欢“揩油”，而非吃糖。他认为，这一发现或将改变人们关于植物真菌病害的应对之道，有望应用于绿色农业，减少农药的使用。菌根共生的应用有助于改善生态，也有助于培育、筛选新的作物品种，以提高有益真菌的共生。
几乎同一时间，《科学》期刊“背靠背”在线发表了另一篇类似的研究论文，英国一家实验室用不同研究手段，证明了同一结论。但其论文被接受的时间比王二涛的晚了大约一周。
王二涛表示，这是目前为止他投稿最顺利的一篇研究论文，投稿到《科学》期刊大约两个多月后即被接受。
80-90%的植物都建立菌根共生。 王二涛 图
共生VS寄生
8日下午，王二涛研究员告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），调查显示，超过80%的植物根部都共生有真菌，比如，水稻、玉米、小麦等作物。这些真菌被称为菌根真菌。植物每年把大约50亿吨光合作用后代谢的产物传递给菌根真菌，供其生长，并留存在土壤中。而菌根真菌回馈给植物氮、磷等物质，维持着整个生态系统的碳氮平衡。
王二涛说，土壤也是一个生态系统，菌根真菌产生的有机酸等物质，使土壤不板结。当它们存在时，植物的茁壮程度更胜一筹。此外，有观点认为，在漫长的进化历史中，真菌在植物从水生到陆生这一演化过程中发挥了重要作用。
但也有一些有害真菌可以侵袭植物，造成病害，比如小麦白粉病、水稻稻瘟病、玉米瘤黑粉病等真菌病害。
真菌到底从植物身上汲取了什么营养物质，如果调控这一过程（促进或者阻断），能否有利于农业生产？
王二涛带领的研究人员利用稳定同位素标定、分子生物学等手段，通过对有益的菌根真菌，以及有害的白粉菌的研究，解答了上述谜题。
最直接的证据
最直接的证据来自稳定同位素标定实验。
姜伊娜告诉澎湃新闻，他们以胡萝卜的根部和丛枝菌根真菌（Rhizophagus irregularis）为研究体系，一半寄生，一半不寄生。
丛枝菌根真菌是有益真菌的一种，它可以寄生在胡萝卜等植物的根部，在从植物获取营养的同时，也回馈给植物氮、磷等营养物质。
他们在实验体系中加入了用同位素C（13）标定过的甘油（一种脂肪酸），最终检测丛枝菌根真菌中的同位素成分。研究人员发现，在该实验体系的丛枝菌根真菌细胞中，也发现了C（13）标记的葡萄糖，但该真菌细胞中储存了更大量的脂肪酸。
通过对上述实验体系的研究，姜伊娜等人首次否定了糖是植物传递给菌根真菌主要碳源。他们惊讶地发现，植物传递给真菌的是脂肪酸。
人们常说的脂肪，其化学本质即脂肪酸。它有长长的由碳、氢元素组成的分子链，能量密度远高于糖类物质。
碳在菌根共生过程中的代谢与转运。 王二涛 图
终于找到其转运蛋白
而且植物传递给真菌的是一种特殊的脂肪酸——单酰基甘油（2-MAG）。
王二涛解释说，只有当真菌寄生到植物根部时，在二者接触的界面上，植物细胞中合成2-MAG的整个代谢通路被极度活化，相关基因表达被上调了上千倍，2-MAG被大量合成，并传递给真菌。这样的生理活动非同寻常，因为在其他植物细胞中，单酰基甘油合成量非常少。
更重要的是，姜伊娜等人找到了植物细胞转运单酰基甘油的蛋白——STR和STR2的蛋白二聚体。转运过程需要ATP的参与。通过基因突变方法，使该转运蛋白复合体失活时，丛枝菌根真菌在植物根部的寄生情况大为减少。
姜伊娜表示，此前，人们认为糖是植物给真菌的主要碳基营养物质时，也一直想要找到其转运蛋白，但都以失败告终。即使在植物的基因组中筛选这一蛋白的基因，也没有成功。但发现是脂肪酸时，这一问题却迎刃而解。
很多谜团待解，可望应用于绿色农业
王二涛表示，这一研究成果还可能应用在对抗病原真菌或真菌病害上。
研究人员使用模式植物拟南芥测试了白粉菌。通过遗传学手段，当抑制拟南芥合成脂肪酸的代谢途径，白粉菌对拟南芥的侵袭程度明显减轻。如果能够寻找到更精准地瞄准脂肪酸转运过程的抑制剂，或许可以更快应用于农业生产。
谜团还有很多，比如，不同的病原真菌侵袭植物时，是否需要不同的转运蛋白，这能否成为有效消除真菌病害的手段？
此外，在菌根真菌与植物根部接触的界面上，是不是不只植物细胞需要有转运蛋白，菌根真菌的细胞在接受植物传递的单酰基甘油时，是否也需要特定的蛋白？在植物根部土壤中加入适量的单酰基甘油，是否能促进菌根真菌的寄生？还有哪些手段可以促进菌根真菌的共生？
研究人员认为，他们开辟了一个新的研究领域。
但王二涛强调，这一研究成果是针对真菌，而非大豆根部共生的根瘤菌等细菌，根瘤菌从植物获取到的是氨基酸，植物的其他寄生细菌获取的是糖。
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