【LorMe周刊】真菌贸易策略：宿主需求影响AM真菌的养分传递

作者：彭海英，南京农业大学硕士在读，主要研究菌根与微生物互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍宿主需求影响真菌营养分配模式的高度动态性。原文于2020年发表在《The ISME Journal》上。

导读

丛枝菌根（AM）真菌所形成的菌丝网络是地下养分运输的重要通道。AM真菌对碳源（C）的需求主要来自于宿主植物，其分配给宿主的养分因环境而异。由于AM真菌对宿主的养分分配模式会随着时间的推移而变化，历来很难对其进行准确量化。文章中作者开发了一种技术，采用三种不同颜色的荧光量子点（QD）纳米颗粒标记磷灰石，研究不同年龄和不同磷需求的两个宿主根之间形成的体外真菌网络中的养分运输（为期3周）。利用共聚焦显微镜和光栅图像相关光谱法，来区分磷从菌丝到根系的转移和磷在菌丝中的保留。通过追踪QD磷灰石的来源，发现幼根对磷的需求影响了以下两方面: （1）真菌如何在不同的宿主根之间分配养分；（2）真菌自身的养分存储模式。这些工作表明真菌贸易策略对时间和环境具有高度的动态特征，强调了在时空上对共生养分运输进行精确测定的必要性。

科学问题

（1）菌根真菌网络是否将更多的磷转移到营养需求较高的宿主根部？

（2）磷的分配模式是否会随着时间的推移而变化？

（3）是否有证据表明真菌受益于将P转移到需求最高的宿主根部？

实验设计

作者设计了一个离体根器官实验，在分隔两室培养皿上分别接两个转化胡萝卜离体根，用物理塑料屏障隔开。成熟根（已建立AM共生）生长在标准的MSR培养基（对照处理），幼根生长在标准的MSR或低磷的MSR培养基。真菌菌丝穿过屏障，在两个根系之间形成一个共同的菌根网络（图1）。在成熟根的隔间中分三个时间点（21d、14d、7d）添加了QD标记的磷灰石，用不同颜色标记注射时间，因此可以通过破坏性地收集QD-磷灰石来量化磷从真菌网络到单个宿主根的转移。

图1 实验设计

一、宿主植物的营养需求影响真菌的营养运输

通过比较菌丝暴露于或不暴露于QD-磷灰石的视频，从视觉上证实了QD-磷灰石被真菌菌丝吸收。随后使用了外荧光测量量化了QD-磷灰石在成熟根和幼根中的分布，以确定有多少被AM真菌网络从成熟根室转移到幼根中。研究发现，在第一次注射（绿色量子点，21天）中，与幼根相比，在成熟根中有更多的QD-磷灰石（图2）。然而，这是一个很小的差异，因为成熟根可以直接获得营养，而幼根只能通过真菌网络间接获得。例如，在对照处理中，每mg宿主根中幼根的QD-磷灰石仅比成熟根中的QD-磷灰石少13%，在低磷处理中，幼根仅比已建立AM共生的成熟根少15% （图2）。

图2 每mg宿主根的nmol QD-磷灰石

宿主根的营养条件影响了真菌的养分分配模式（图3）。作者通过绘制两个宿主根（幼根/成熟根）中QD-磷灰石的比例来研究真菌的转移策略，发现两种处理均表现出显著的时间效应（图3）。然后比较了每个时间点每个处理的分配模式。基于第一次注射和第二次注射，没有发现QD-磷灰石分配模式的显著差异。然而，通过第三次注射，该比率明显更高，与对照相比，在低磷处理中有更多的磷分配给幼根（图3）。随着时间的推移，养分转移到根的差异可能取决于幼根的磷条件，在低磷条件下，更多的养分被分配到这些幼根。

为了用不同的方法证实这一趋势，作者又测定了宿主根的总磷浓度，并将其与发荧光的QD-磷灰石的磷百分比进行了比较。在所有时间点和处理中，宿主根中平均5.6%的磷来源于QD磷灰石。在低磷条件下，来自QD-磷灰石的磷占根总磷的百分比 （约6.4%）显著高于对照（约4.7%）（图4A）。在第一次QD-磷灰石注射（21天）中，来自QD-磷灰石的磷含量受到处理的显著影响，在低磷处理中来自QD-磷灰石的磷百分比更高。在第二次QD-磷灰石注射（14天）中，发现处理（高磷vs低磷）、隔室（成熟根vs幼根）以及两者交互作用没有显著效应。在第三次QD-磷灰石注射 （7天）中，发现隔室以及处理与隔室之间的交互效应存在显著效应，在低磷处理中幼根中明显有更多来自QD-磷灰石的磷（图4B、C）。

图3 幼根/成熟根中QD-磷灰石的比例

图4 宿主根中QD磷灰石中磷的百分比

二、真菌营养分配策略:保留与传递

确定QD-磷灰石的确切空间位置（即保留在真菌菌丝中而不是转移到根中）。实验发现，QD-磷灰石的空间位置受到处理、隔室以及两者之间的相互作用影响。在第一次和第二次注射中，我们发现在低磷处理和对照处理之间，位于菌丝/根中的QD-磷灰石的比例没有显著差异。然而，在第三次注射中，低磷处理的幼根菌丝与根中QD-磷灰石的比例显著低于对照处理（图5）。这一结果表明，当根的磷限制较高时，QD-磷灰石更有可能转移到根中，而不是将QD-磷灰石保留在菌丝中。此外，同时分析了根生长成像实验的数据，以确认根在该实验的时间范围内不受C的限制。

图5 第一次和最后一次QD磷灰石注射时菌丝/根中QD磷灰石的保留量

作者随后检测了真菌的生物量，以确定AM真菌在两个根之间的养分分配方式是否影响了它们自身的生长，换而言之，在低磷条件下生长的幼根提供更多的磷素是否对AM真菌有益。结果发现与低磷处理相比，对照处理的根外菌丝生物量总体较高，但在幼根和成熟根之间没有其他统计学上的显著差异（图6A）。

最后，通过实时荧光定量PCR技术测定R. irregularis的拷贝数，发现处理和隔室对根内真菌定殖有显著影响，但两者之间没有显著的交互作用。对照根的定殖率平均比低磷根高125倍，幼根的定殖平均比成熟根高32倍（图6B）。

图6 真菌丰度

结论

研究共生微生物对其宿主的养分分配策略仍然是一项重大挑战。对于丛枝菌根真菌来说，真菌网络的组成或生长条件的轻微改变均会导致其养分交易策略的转变。该研究表明，时间和宿主的营养需求在真菌分配策略中都起着重要作用。在自然条件下，由于宿主植物的物种组成不同且非生物环境也随季节变化，AM真菌的养分分配模式可能非常动态且难以预测。利用QD技术研究共生贸易仍处于起步阶段，但该技术是一种十分有用的工具，它帮助我们了解真菌分配模式在这些不同的环境背景下如何在时空上发生动态变化。随着研究手段变得愈加精确，我们将能够对宿主-微生物共生体系中的资源交换进行预测，从而明确在何种条件下植物可以从合作关系中受益。

论文信息

原名：Temporal tracking of quantum-dot apatite across in vitro mycorrhizal networks shows how host demand can influence fungal nutrient transfer strategies

译名：荧光量子点标记磷灰石在体外真菌网络中的时间追踪揭示宿主需求如何影响真菌的养分传递策略

期刊：The ISME Journal

IF₂₀₂₀: 9.78

发表时间：2020.09

通讯作者：Anouk van’t Padje

通讯作者单位：荷兰瓦赫宁根大学遗传学实验室