Nature Commun | 水稻中调控根际微生物AM共生信号的新组分学术资讯

来源：BioArt植物

丛枝菌根 (Arbuscular mycorrhizal, AM) 是广泛存在于土壤生态系统中的一类与植物根系形成的共生体的真菌。大多数植物与有益的AM相结合，促进土壤养分的获取，是一种普遍存在的互利共生作用。共生是通过营养物质的双向交换实现的，植物寄主向专性生物营养真菌提供光合产物，而专性生物营养真菌则向植物提供土壤矿物，主要是磷酸盐。这种共生作用始于根际两个partner之间的相互识别，随后是物理接触和组织入侵，最终在细胞内形成树状的真菌取食结构，即作为营养物质转移场所的丛枝。
在土壤中植物与AM最初识别会释放植物激素独脚金内酯strigolactone (SL) ，激活真菌代谢和产生分枝【1,2】。研究表明水稻SL受体同源蛋白Dwarf14-Like (D14L) 突变后对AM不敏感，说明D14L是水稻感知真菌的关键因子【3】，同时拟南芥D14L同源蛋白AtKAI2是野火烟中可以促进种子萌发及幼苗生长的化合物karrikin的受体【4】，说明D14L在SL与karrikin的感受过程中均起重要作用。拟南芥中karrikin介导的信号途径是通过E3泛素连接酶MAX2及负调节因子SMAX1进行的【5,6】。水稻中MAX2的同源蛋白D3在AM共生建立中也是必需的，突变体与D14L的突变体表型一致，然而D14L/D3在AM共生信号途径的其他组分仍然未知。
近日，英国剑桥大学Uta. Paszkowski研究组在Nature Communications在线发表题为The negative regulator SMAX1 controls mycorrhizal symbiosis and strigolactone biosynthesis in rice 的研究论文，在水稻中鉴定SMAX1通过作用于D14L下游，负调控AM共生信号途径及SL的生物合成。

根据已有报道，研究者假设水稻SMAX1可能参与D14L下游共生的调节。通过同源比对，作者发现LOC_Os08g15230 与AtSMAX1 同源性最高，命名为OsSMAX1。SMAX1在细胞核表达，与D14L及D3共定位，暗示SMAX1可能与D14L及 D3共同参与转录调控。为了验证SMAX1在AM共生中是否发挥作用，作者利用SMAX1的T-DNA插入突变体进行接菌实验。菌落定量分析及台盼蓝染色实验表明，smax1-1突变体中的菌落数量显著高于野生型。基因互补实验及AM下游marker基因的检测进一步证明SMAX1确实负调节AM共生信号途径。
由于D14L/D3已经被报道作用于AM信号途径上游，因此作者想要了解SMAX1及D14L/D3的遗传上下游关系。利用CRISPR-Cas9技术，作者构建了d14l突变体，并通过与smax1杂交获得d14l smax1及d3 smax1双突变体，并对单突变体及双突变体进行接菌实验。结果表明SMAX1的突变大部分回复了d14l及d3突变体AM不敏感的表型，marker基因表达也与接菌表型一致，暗示SMAX1作用于D14L/D3下游，阻断了d14l和d3突变体中AM共生的启动。
在拟南芥中，D14L信号通路调节植物下胚轴伸长。同样，在水稻中，d14l和d3突变体与野生型相比具有明显的中胚轴伸长表型。为了鉴定SMAX1是否调控水稻中胚轴伸长，作者比较了SMAX1、d3和d3/SMAX1的中胚轴长度，发现smax1突变体中胚轴明显短于野生型，且SMAX1的突变可以回复d3的中胚轴伸长表型，暗示SMAX1作用于D3下游参与水稻中胚轴发育调控。
除此之外，研究者还利用未接菌材料进行转录组分析，进一步确定SMAX1在AM信号途径及SL信号途径中的作用。对差异基因的GO分析表明，SMAX1调节基因与AM共生所需基因或进化上保守的菌根植物物种之间存在明显的重叠。并且SMAX1的缺失也导致了SL生物合成相关基因的诱导及SL激素合成的增加。这为SMAX1作为AM共生程序和SL激素平衡的重要调节器提供了数据支持。

SMAX1在AM共生信号途径中的作用模式图

参考文献

1. Besserer, A. et al. Strigolactones stimulate arbuscular mycorrhizal fungi by activating mitochondria. PLoS Biol. 4, e226 (2006).
2. Akiyama, K., Matsuzaki, K. & Hayashi, H. Plant sesquiterpenes induce hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi. Nature 435, 824–827 (2005).

3. Gutjahr, C. et al. Rice perception of symbiotic arbuscular mycorrhizal fungi requires the karrikin receptor complex. Science 350, 1521–1524 (2015).
4. Kagiyama, M. et al. Structures of D14 and D14L in the strigolactone and karrikin signalling pathways. Genes Cells. 18, 147–160 (2013).

5. Nelson, D. C. et al. F-box protein MAX2 has dual roles in karrikin and strigolactone signaling in Arabidopsis thaliana. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 8897–8902 (2011).
6. Stanga, J. P., Smith, S. M., Briggs, W. R. & Nelson, D. C. Suppressor Of more axillary Growth2 1 controls seed germination and seedling development in Arabidopsis. Plant Physiol. 163, 318–330 (2013).

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16021-1

来源：bioartplants BioArt植物

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