控制土壤真菌共生的关键开关或能解决长期农业难题|共生|植物|真菌|矿物|磷酸盐|菌根

在漫长的进化里，植物琢磨出一套巧妙的办法来解决土壤里缺磷酸盐的问题——它们跟土壤真菌搭伙过日子。这些菌根真菌很给力地为植物伙伴提供磷酸盐和其他必需矿物质。

最近，位于哈勒的莱布尼茨植物生物化学研究所（IPB）的科学家与波恩大学的合作伙伴一起，找到了一个分子开关，它能检测植物体内的磷酸盐含量，并告诉植物该不该跟真菌搭伙。有了这条路子，植物说不定就能在磷酸盐充足的情况下也跟土壤真菌建立伙伴关系。这项发表在《科学进展》期刊上的研究，为农业上的老问题提供了可能管用的招儿，也给少用化肥指了条新路。

给庄稼接种菌根真菌对提高农业产量特别关键。细小的真菌菌丝就像延伸的根系，大大提升了矿物质和营养物质的吸收。磷酸盐对植物特别要紧，因为它管着植物能量平衡的关键，植物通过这种共生关系能高效地从土壤里提取磷酸盐。不过，这种伙伴关系对植物来说是有代价的：它们得分给真菌一部分自己产的碳水化合物。

“这个代价对植物来说太高了，所以土壤里磷酸盐够用的时候，共生关系就被压下去了，”IPB共生信号研究组负责人Martina Ried-Lasi解释道。

就算磷酸盐够用，不搞共生关系也会让产量变差，因为真菌还促进氮、镁和钾的吸收。

“因此，农业上正在想办法，让作物不管土壤里磷酸盐够不够，都能保持菌根共生，”波恩大学的Gabriel Schaaf表示。“我们的研究给出了一个办法，以后可能专门用来促进这种共生。”

共生机制中的VIH2开关

研究团队以模式植物百脉根为研究对象，发现酶VIH2是共生形成的关键调控因子。 VIH2 控制着肌醇焦磷酸盐的产生，这些是指示磷酸盐状态的信号分子。当细胞中磷酸盐含量低时，VIH2产生的肌醇焦磷酸盐生成量低，向细胞发出启动饥饿程序的信号。这一反应包括激活缺磷基因、重塑根系结构以及启动菌根共生。

当磷酸盐供应充足时，VIH2会产生大量的这些信号分子。相应地，磷酸盐饥饿反应就停止了，与菌根真菌的共生关系也就建立不起来了。

“我们研究了专门抑制该酶是否会重新启动磷酸盐饥饿响应并促进菌根形成，”里德-拉西表示。“结果确实如此，即使培养基中存在充足的磷酸盐，这些植物表现得就像它们正遭受磷酸盐缺乏一样。”

因此，这些植物持续保持着与菌根真菌的密集共生，而这种共生在给定的磷酸盐条件下通常会被抑制。研究团队最关键的一个发现是：在所研究的实验条件下，持续的共生对双方的生长和发育都没啥负面影响。根里的真菌结构一直稳稳当当、功能正常，植物对磷酸盐和其他养分的吸收也增加了。

“这让我们能把菌根共生的调控和土壤里的磷酸盐状况分开来调控，”沙夫说。“这几十年来，菌根研究一直盯着这个核心目标。”

借助VIH2，植物专家找到了一个关键的调控开关，它控制着共生的建立。这可能让未来在作物里有针对性地调整菌根化成为可能。跟传统方法不一样，现代育种技术，比如基因组编辑，能灵活又快速地让植物更容易准备好共生。不过，这些效果在田间条件下能不能也体现在产量和稳定性上，还得再测测看。尽管如此，这项研究提出了一个新概念模型，把植物对磷酸盐的感知直接跟共生关系的调控连在一起。