以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者吱昂张
2023年1月，国际微生物学术期刊Environmental Microbiology发表了中国农业大学张林团队的最新研究成果，题为Hyphosphere interactions between Rhizophagus irregularis and Rahnella aquatilis promote carbon-phosphorus exchange at the peri-arbuscular space in Medicago truncatula的研究论文。
摘要：
丛枝菌根真菌( AMF )在根系和土壤之间形成一个连接体。这一连接体的一端是与细胞内细胞器进行养分交换的高度亲密的植物-真菌界面，而另一端是补偿AMF无法从土壤中吸收有机养分的真菌与细菌相互作用界面。这两个界面如何在这种高度复杂的三方互惠共生中进行交流是未知的。本研究基于丛枝周腔( PAS )中蒺藜苜蓿参与C - P交换的基因表达，分析了定居在Rhizophagus irregularis根外菌丝表面的解磷菌水生拉恩氏菌（ Rahnella aquatilis）的作用。AMF与解磷菌的相互作用导致Pi沿根外菌丝的吸收和转运增加，并从AMF转移到植物中。作为回报，植物向AM真菌转移C，改善PAS的C-P交换。这些结果表明，在菌丝际界面发育的微生物(即一个PSB)能够影响植物与AMF PAS处的C - P交换，暗示了3种生物之间通过2个遥远连接的界面进行精细的通信。
前言：
在自然界进化过程微生物与其他生物及其环境建立复杂的相互作用，界间合作最典型的例子之一是AMF和72%的陆生植物之间建立的共生关系，其特征主要是伙伴双方之间的碳（C）和矿物质（特别是磷-P）的交换。丛枝周腔(PAS)是连接丛枝和根细胞的一个隔室，是C-P交换的关键界面。
植物和AM真菌之间的两方合作可以延伸到第三个伙伴——在菌丝附近生长的细菌。在过去的十年中，在理解菌丝际中的这些相互作用方面取得了实质性的进展，最突出的是AMF R. irregularis与解磷细菌R.aquatilis之间的相互作用。AMF的菌丝分泌物被发现既是细菌的C来源，也是刺激细菌生长和活性的信号和效应分子。AMF刺激了PSB分泌磷酸酶的能力，增加了有机P向AMF可利用的Pi的矿化。在另一项研究中，据报道， R. irregularis的根外菌丝可以作为细菌迁移到有机磷斑块的“高速公路”，从而改变细菌的分布，提高土壤中有机磷的利用。最后，观察到了多营养相互作用(例如，土壤细菌和原生生物之间的相互作用)，改善了AMF对有机养分的利用。
总之，植物- AMF-细菌之间的相互作用是一个连续体，具有两个相距较远的界面：连接植物细胞与根系中真菌细胞(即丛枝)的PAS和连接AMF根外菌丝与土壤中微生物群落的菌丝际，这两个界面由AMF的根外菌丝连接。然而，菌丝际相互作用如何影响PAS水平的C - P交换尚不清楚。为了阐明这些过程，我们构建了一个将M. truncatula和上述两种微生物联系在一起的实验系统，以解决以下问题：(1)AMF和PSB在根外菌丝中的相互作用是否促进了根外菌丝对Pi的吸收和Poly-P的合成？(2)菌丝对Pi的吸收和向植物细胞的运输是否促进了PAS界面上植物与AMF之间的C-P交换；以及(3)两个界面之间的相互作用是否促进了植物的生长和Pi的吸收效率？为了解决这些问题，本研究测定了(Ⅰ) R.irregularis茎内外菌丝对磷的吸收和运输，(Ⅱ) M. truncatula脂类的生物合成和调控以及(Ⅲ)在PAS上M. truncatula与R.irregularis之间的C-P交换相关基因的表达。
结果
构建了由根和菌丝室(RHC)， 缓冲室(BC)与外部菌丝室(HC)组成的三室培养盆栽装置(图1)。将含有不溶性磷(Ca3PO4，NSP)或可溶性有机磷(Na-植酸盐，SOP)的液体悬浮液加入到HC中。分别于接种R.aquatilis后0、1、3、7d采集RHC和HC中的样品进行进一步分析。
1.植物与AM真菌C-P交换相关基因的表达
测定了参与植物与AM真菌C-P交换的3个基因(Pi转运蛋白基因MtPT4、质膜H+ATP蛋白转运酶基因MtHA1和脂质转运蛋白基因STR)在丛枝周腔中的表达。这三个基因的表达与收获时间(接细菌的0、1、3和7dpi)无关，在Ctrl-RA、NSP-RA、SOP-RA和Ctrl+RA处理之间没有显著差异(图2A-C)。相反，在NSP+RA和SOP+RA处理中，MtPT4、MtHA1和STR的表达在加入细菌后1、3和7dpi显著高于其他四个处理(图2A-C)。此外，与Ctrl处理相比，NSP和SOP处理显著增加了R . aquatilis对丛枝周腔中C-P运输的相对贡献。(图2D)。
2.R. irregularis根外和根内菌丝磷吸收和转运相关基因的表达
测定了参与磷吸收和转运的4个基因(根外菌丝中高亲和力Pi转运蛋白基因PHO84P和液泡型磷转运蛋白基因VTC4和PHO91，根内菌丝Pi转运蛋白基因RiPT7)在菌丝中的表达。这四个基因的表达与收获时间(接种细菌的0、1、3和7dpi)无关，在Ctrl-RA、NSP-RA、SOP-RA和Ctrl+RA处理之间没有显著差异(图3A-D)。相反，在NSP+RA和SOP+RA处理中，PHO84P、VTC4和PHO91在与细菌作用1、3和7dpi时的表达以及RiPT7在与细菌作用3和7dpi时的表达显著高于第0天和其他四个处理(图3A-D)。
3.苜蓿脂质生物合成及调控相关基因的表达
测定了苜蓿中参与脂质生物合成( Fat M和RAM2)和调控( WRI5a、WRI5b、WRI5c和RAM1)的6个基因的表达量。这六个基因的表达与收获时间(接细菌的0、1、3和7dpi)无关，Ctrl-RA、NSP-RA、SOP-RA和Ctrl+RA处理之间没有显著差异(图4AE)。相反，在NSP+RA和SOP+RA处理中，基因表达随收获时间的不同而不同。对于FATM、RAM2和WRI5a，从第0天到第7天，表达稳定增加，第7天表达最高(图4A-C)。对于WRI5b和Ram1，表达首先在第0天到第1天增加，从第1天到第3天下降，然后持续增加到第7天(图4D，F)。对于WRI5c，只有在第7天才显著增高 (图4E)。在NSP+RA和SOP+RA处理中，FATM、RAM2、WRI5a、WRI5b和Ram1在与细菌作用1、3和7dpi以及WRI5c在与细菌作用7dpi时的表达显著高于其他四个处理(图4)。
4.不同处理之间的苜蓿根部菌根定植、丛枝丰度、根中R. irregularis相对丰度、地上部生物量、P浓度和P含量
根部菌根定植和丛枝丰度在Ctrl-RA、NSP-RA、SOP-RA和Ctrl+RA处理之间的没有显著差异，并且与采收时间无关(0、1、3和7dpi)。同样，在NSP+RA和SOP+RA处理中，0、1和3dpi与细菌没有显著差异，而在7dpi，两个处理的根部菌根定植和丛枝丰度与Ctrl+RA处理相比显著增加(图5A，B；)。此外，在相同的两个处理中，在7dpi时，根中的R. irregularis相对丰度显著增加(图5C)。
Ctrl-RA、NSP-RA、SOP-RA和Ctrl+RA处理之间，不考虑采收时间(0、1、3和7dpi)，苜蓿的生物量、P浓度和P含量没有显著差异。在NSP+RA和SOP+RA处理中，在接种菌剂后3d和7d，地上部生物量、地上部P浓度和P含量均显著增加。此外，与NSP+RA处理相比，SOP+RA处理的地上部生物量、地上部P浓度和P含量显著高于NSP+RA处理(图5D-F)。
讨论
植物(M.truncatula)和丛枝菌根真菌(R. irregularis)之间C-P交换的图示（图6）。在本研究中，在AMF的菌丝际中，PSB R.aquatilis的存在促进了C-P交换。菌丝表面的PSB相互作用增加了有机磷矿化的磷酸酶和溶解不溶性磷的葡萄糖酸的分泌，增加了菌丝对磷的吸收和运输，以换取菌丝分泌的碳水化合物，这进一步增强了植物与AM真菌之间丛枝界面的C-P交换。
植物-AMF联合体的运作就像市场经济，C-P交换优先分配给提供最佳汇率的合作伙伴。这种贸易通常通过稳定同位素标记来衡量，使用这种方法证明了植物可以检测、区分和奖励最好的AMF伙伴更多的碳水化合物，真菌伙伴可以将更多的Pi分配给那些提供更多碳水化合物的宿主植物。然而，稳定同位素不能揭示调节共生双方C-P交换的生理机制和基因网络，因此需要分子生物学方法。
在最近十年中，在PAS发现了几个编码C-P转运蛋白的基因。在此，我们分析了真菌和苜蓿中参与磷吸收和转运的7个基因，以及参与脂肪合成和调节的6个基因表达。Pi转运蛋白基因表达的显著增加支持了R. irregularis和R.aquatilis之间的相互作用导致不溶性P/有机P在生长介质中的增溶/矿化，增加了Pi沿根外菌丝的吸收和运输，并将其从AMF转移到植物体内。参与脂类生物合成、运输和调节的基因表达显著增加证明了P从AMF到植物的转移伴随着C从植物到AMF的转移，并促进了PAS的C-P贸易。然而，由于转录后和翻译后事件的发生，基因表达和产物活性并不总是直接对应的。因此，结合稳定的同位素标记，甚至开发新的方法，以进一步加深我们对植物与AMF之间C-P交换的生理机制和全面了解是至关重要的。
我们的结果表明，植物和AMF之间的C-P交换是通过在菌丝际中生长的PSB来增强的。PSB提高了从AMF到植物的P的通量，进而增加了从植物到AMF的C的通量，为菌丝际互作增强植物P营养背后的分子机制提供了新的见解。
R.aquatilis促进植物与AM真菌之间的C-P权衡
虽然AM真菌的C-P供应依赖于寄主植物，但AM真菌分配给植物的Pi量随环境条件的不同而不同。例如，最近有研究表明，当根外菌丝暴露在高度不均匀的无机磷中时，通过增加磷向宿主根的分配来刺激贸易。张某等人。(2018)进一步证明，菌丝际 PSB的存在促进了AM真菌对P斑块中Pi的吸收，进而影响了植物与AM真菌之间的C-P贸易。当植物对磷的需求增加时，AM真菌向宿主植物转移更多的磷，以换取更多的C。在本研究中，我们发现，在NSP和SOP处理中，PSB的存在在1、3和7dpi显著增加了参与R. irregularis和苜蓿之间C-P交换的基因(MtPT4、MtHA1和STR)的表达(图2A-C)。此外，对直接参与C(STR)和P(MtPT4)交换的基因的表达分析表明，在这两个处理中，PSB对C-P交换的相对贡献都要高得多(图2D)。这些结果表明，在NSP或SOP的存在下，PSB矿化SOP和溶解NSP的能力被刺激，从而增强了植物和AM真菌之间的C-P交换。有趣的是，一些细菌属(例如，链霉菌)栖息在菌丝际处，已被证明促进AM真菌的菌丝生长。这证实了我们的结果，即R. irregularis的定植和生长是由R.aquatilis促进的，可能是由于促进了PAS上的C-P交换(图5A-C)。因此，这些发现表明，在菌丝际生长的微生物(即PSB)可以影响PAS的C-P交换。
PSB提高AMF对植物的磷供应
在过去的十年里，几项研究表明，在菌丝际生长的P.Aquatilis可以帮助AMF通过分泌磷酸酶从土壤中吸收磷，从而增加从真菌到植物的磷的转移量。有趣的是，这种细菌的存在诱导了AMF R.irrularis吸收Pi相关基因的表达。然而，这些研究主要集中在磷化酶水平上的分子机制上，较少在AMF内对Pi的吸收和运输或PAS水平上的基因表达上进行研究。
AM真菌对Pi的吸收和运输受到以下级联基因的调控：在根外菌丝的低Pi条件下，Pi首先通过H+-ATP酶驱动的高亲和力Pi转运蛋白PHO84P被摄取。然后，它通过液泡转运蛋白伴侣(VTC)复合体聚合成Poly-P，并在液泡中向宿主转移。在高度分枝的丛生结构中，Poly-P进一步被水解成Pi，并通过液泡Pi输出子PHO91输出到细胞质中。最后，Pi通过AMF膜上的Pi转运体RiPT7进入PAS，并被植物吸收。PAS中C-P贸易的促进可能使AM真菌向植物提供更多的P。因此，我们分析了茎外和茎内菌丝中与Pi吸收、Poly-P合成和运输有关的基因的表达。我们的结果表明，在NSP和SOP处理中，PSB的存在使PHO84P、VTC4和PHO91的表达在1、3和7 dpi显著增加，RiPT7在3和7 dpi显著增加(图3)。这表明，根际磷细菌的存在增强了AM真菌从磷斑块中获取磷的能力，并为植物提供磷。当从AM真菌获得大量的Pi时，苜蓿在短时间内(从1~7dpi)迅速增加其地上部生物量。
AM真菌的P供应驱动C从植物到AM真菌的分配
在PAS的C-P贸易中，植物提供给AM真菌的C的主要形式是脂肪酸。在AM真菌对植物的磷供应增加的情况下，植物可能会向AM真菌输送更多的脂类，以维持贸易稳定。我们使用与脂肪合成相关的基因(FATM和RAM2)和调节基因(WRI5a、WRI5b、WRI5c和Ram1)的表达作为读数来表征当获得较高的Pi时，苜蓿向AM真菌供应C的能力。结果表明，除WRI5c外，在NSP和SOP+菌丝际细菌处理1、3和7dpi时，所有与脂肪酸生物合成和调控相关的基因的表达都显著增加 (图4)。蒋等人 (2018)证明了WRI5a在苜蓿毛状根中的过表达导致了FATM、Ram1、STR和MtPT4基因的表达显著增加，在AM共生过程中产生了更多的棕榈酸。此外，当FATM或RAM2被敲除时，苜蓿定植根中的2-单酰基甘油含量显著下降。我们的结果表明，AM真菌对苜蓿的磷供应促进了碳的交换过程。2-单甘油可以在根内菌丝中转化为三酰甘油，并进一步通过菌丝网络运输，促进AM真菌的生长发育。在本研究中，在NSP和SOP处理中，根菌根定植、丛枝丰度和R.irrularis根相对丰度在7dpi显著增加(图5AC；图5AC)。S1)，证实了R.irrularis从寄主植物那里获得了更多的C。从寄主植物到AM真菌的C流动和从AM真菌到寄主植物的P流动是同时发生的，这一过程受解磷细菌的影响。
R . aquatilis通过增强PAS处的C - P交换来促进植物生长
属于同一门或不同界的物种之间的合作(例如，植物与真菌)或甚至不同领域(真核生物与原核生物)之间的合作开始逐渐被理解。这种合作的一个标志性例子是AM真菌与三分之二以上的植物物种之间建立的共生关系，而有益细菌(例如，PSB)则栖息在另一侧的茎外菌丝表面。因此，参与养分交换的两个界面，丛枝周腔和菌丝际，在不同的环境(根皮层和土壤)中共存，通过茎内和茎外菌丝连接。然而，这两个遥远的界面之间的相互作用及其对系统养分效率的影响仍然知之甚少。在菌丝际界面，PSB分泌用于有机磷矿化的磷酸酶和用于增溶不溶P的葡萄糖酸，增加AM真菌对Pi的吸收和运输，进一步加强植物与AM真菌之间丛枝界面的C-P交换(图2)。这一过程最终促进了植物对磷的吸收效率，进一步促进了植物在缺磷土壤中的生长。具体地说，生长在菌丝际界面的PSB可以影响植物与AM真菌之间的丛枝周腔处的C-P交换，进而促进植物的生长。我们的结果还表明，PSB可以使AM真菌获得Pi，否则将无法获得Pi。更重要的是，通过AM真菌的菌丝，在两个遥远的界面上发生了精密的通信，如果没有AM真菌菌丝，植物永远不可能利用无法到达根的Pi。最近，一项研究表明，作为巨孢子菌内共生菌生长的巨大假丝酵母也可以影响植物的脂肪代谢，增加植物对AM真菌的C通量。这表明，无论它们在哪里(即在真菌细胞中作为内生细菌或在菌丝表面作为PSB)，细菌都可以影响植物对AM真菌的反应。植物通过改变分配给AM真菌的C的量来响应真菌Pi转移的变化，这可以通过植物和AM真菌之间的互惠回报来预测。获得Pi可能会使植物为AM真菌提供更多的C。其中一部分用于真菌的生长和发育，增加了AM真菌在根中的相对丰度(图5A-C)，而另一部分以细菌利用的分泌物的形式释放到菌丝际中，刺激它们的生长和活性，进一步增强了土壤中不溶性P/有机P的溶解/矿化(图6)。
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