丛枝菌根中的真菌脂质几丁寡糖共生信号

1、Fungal lipochitooligosaccharide symbiotic signals in arbuscular mycorrhiza（丛枝菌根中的真菌脂质几丁寡糖共生信号）（丛枝菌根中的真菌脂质几丁寡糖共生信号）Page 2期刊介绍期刊介绍NATURE卷: 469 期: 7328 页: 58-U1501DOI: 10.1038/nature09622出版年: JAN 6 2011出版商出版商NATURE PUBLISHING GROUP, MACMILLAN BUILDING, 4 CRINAN ST, LONDON N1 9XW, ENGLAND研究方向研究方向:Scienc

2、e & Technology - Other Topics类别类别:Multidisciplinary Sciences文献类型文献类型:Article语种语种:English入藏号入藏号: WOS:000285921600030PubMed ID: 21209659ISSN: 0028-0836Page 3背景介绍背景介绍 丛枝菌根丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza, AM)真菌是一类古老的微生物, 其与植物共生的历史可追溯到4.6亿年前。AM是陆生生物与古门球囊菌门真菌之间的一种根内共生。与AM真菌共生能促进植物水分、养分的吸收, 增强植物对生物及非生物胁迫的抗性

3、; 作为回报, 共生植物反馈AM真菌碳水化合物, 以帮助真菌完成生活史。Page 4 人们对AM真菌与植物共生关系的研究已跨越百年。目前, 绝大多数研究集中于共生关系形成之后, 而调控植物与真菌共生关系形成的相关信号物质研究较少。 最近有证据表明AM真菌能产生一些可扩散的信号。 本文将说明Glomus intraradices（丛枝菌根真菌）能分泌使生成AM的混合的硫酸盐和非硫酸盐的lipochitooligosaccharides (LCOs脂质几丁寡糖)生物共生信号。 而在豆科Medicago truncatula（苜蓿）植物中，这些信号能通过DMI信号通路刺激根系的生长和分支化。背景介绍

4、背景介绍Page 5实验对象实验对象1.活性确定对象：活性确定对象：a:the Vicia sativa root-hairbranching assay (VsHabVsHab豌豆根毛分支法),它能检测不同类型的非硫酸盐化的LCOs。b：包含早期节瘤基因MtENOD11启动因子区域和GUS受体基因的Medicago truncatula（苜蓿）转基因株(ENOD11法)。它能检测不同类型的硫酸盐化LCOs.c:Medicago truncatula分支根系，用于Myc信号的检测。2.分离对象：分离对象：a：G. intraradices侵染的胡萝卜根的无菌分泌物b；无AM菌感染的胡萝卜根无菌

5、分泌物c:G. intraradices的发芽孢子提取物（GSE）Page 6实验部分实验部分G. intraradices 分泌分泌 LCOs用正丁醇和乙酸乙酯对G. intraradices侵染的胡萝卜根的无菌分泌物胡萝卜根的无菌分泌物进行提取。提取物用HPLC初步分离。分离物中部分部分A（F4、F5）（40%乙腈洗脱得到）检测到对ENOD11有生物活性，部分部分B（F9、F10）（60%乙腈洗脱得到）检测到对VsHabVsHab有生物活性。并且2 2个部分个部分都能促进苜蓿根的分支化，说明AMAM真菌真菌能分泌可传播的因子。Page 7实验部分实验部分G. intraradices 分泌

6、分泌 LCOs将部分A、B做UPLC/Q-ToF MS谱。部分A在负离子电喷雾模式下，有12个硫酸盐化LCOs的分子离子拥有m/z 值，其中6个分子离子（m/z 值为 1,105.5,1,103.5, 1,101.5, 1,133.5, 1,131.5, 1,129.5）对应于硫酸盐化的四聚体LCOs (LCO-IV, S)，被拥有0、1、2个不保护度的C16或C18脂肪酸链N-酰化。另外6个分子离子（m/z 值为1,308.6, 1,306.6, 1,304.6, 1,336.6, 1,334.6 and 1,332.6)对应于硫酸盐化的五聚体LCOs (LCO-IV, S)被同样的酰基链酰

7、化。Page 8实验部分实验部分G. intraradices 分泌分泌 LCOs为确定这些分子离子结构所做的UPLC/Q-ToF MS谱。得到了LOCs的代表性片段。Page 9实验部分实验部分G. intraradices 分泌分泌 LCOs部分B在正离子模式下，检测到非硫酸盐化的LCO-IV(C16:0) 和 LCO-IV(C18:1)。在F1到F3中，我们没有检测到亲水性的LOCs,在F6到F8中，也没有检测到疏水性的LOCs。所以在菌根根中存在分泌物中存在硫酸盐化与非硫酸盐化的LCOs混合样品。在同样培养条件下的无AM菌感染的胡萝卜根无菌分泌物（GSE）中，通过高敏感性的LC/Q-T

8、rap分析，没有检测到LOCs，支持了是AM菌分泌的LOCs这一推论。Page 10实验部分实验部分G. intraradices 分泌分泌 LCOs为了证明这一点，也对G. intraradices的发芽孢子提取物进行了分析。它的丁醇提取物能够导致苜蓿根的分支化。提取物通过 LC/Q-Trap MRM 模式分析在部分B中，MRM的痕迹，LCO-IV的特性（C18：1（1,053.426，1,053.629，1,053.832;图2c）和LIV（C16：0）（1,027.400，1,027.603，1,027.806，数据未显示）Page 11实验部分实验部分G. intraradices 分

9、泌分泌 LCOs部分A也进行了相似的检测。检测到了硫酸盐化的LCOs.GSE中成分HPLC的保留时间和观测到的MRM痕迹能够对应于根据已在菌根分泌物中证明存在的LCOs所合成的Myc-LCOs。Page 12实验部分实验部分G. intraradices 分泌分泌 LCOs棕榈酸（C16：0）和C18：1脂肪酸是AM菌的LCOs的主要N-酰基取代。为了确定C18：1取代基的结构，GSE中部分B的水解所得脂肪酸经行气质联用分析。并与合成的商业对照品经行保留时间和图谱的比较。Page 13实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激刺激 AM 的合成的合成 M. truncatula 幼苗在1:1的硫酸

10、化和非硫酸化(Syn)Myc-LCOs (10 nM)凝胶斜面的生长管中培养。并将之接种G. intraradices孢子。每株植物感染单位的数量（含有分离区域丛枝和内部菌丝网络，图4a）Myc-LCOs处理后根的长度和每平方厘米感染密度都大大增加。Page 14实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激刺激 AM 的合成的合成我们检查了Myc-LOCs是否能够刺激M. truncatula genes，其中涉及一些早期的相互作用。通过豆科模型根部转录分析可以确定被AM菌感染或存在真菌可扩散因子后，上百个基因得到了上调。在这些基因中，选择了10个。定量PCR反向转录显示，在10个测试基因中，用 (

11、Syn)Myc-LCO处理后，4个基因DMI3依赖性的上调了。这又是一项证明在AM真菌共生中，一些分子充当了信号。Page 15实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激刺激 AM 的合成的合成我们测试的Myc-LCOs在非豆科植物万寿菊孔雀草（菊科）和胡萝卜（伞形科）上的影响。对于孔雀草，植株用!:1的硫酸盐化和非硫酸盐化的(Syn)Myc-LCOs处理。发现它感染数量和每株感染单位。当植株用纯的硫酸盐化或非硫酸盐化或1:1混合的处理植株，结果用混合处理的根定植率加倍了(+104%)，而纯度非硫酸盐化和纯的硫酸盐化分别只增加了75%和42%。Page 16实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激刺

12、激 AM 的合成的合成 AM真菌在根的转化培养中能形成菌根。为了测试Myc-LCOs是否能够刺激切离的胡萝卜根进行根菌化，我们用根瘤菌突变体所产生的1:1混合的硫酸盐化与非硫酸盐化的(Rhi)Myc-LCO类似物。这些化合物掺入培养基中使得定植率极大增加(+68%)。而合成的1:1混合的硫酸盐化与非硫酸盐化(Syn)Myc-LCOs增加了20%。 因此，根部响应这些Myc信号并不需要地上部分的存在。 对于这3种植物来说，包括豆科和非豆科，合成的(Syn)Myc-LCOs都能够是AM生成，可能是通过刺激根的分支化和感染密度。 这又是一有力证据证明我们确认的Myc-LCOs是真实的菌根信号。Pag

13、e 17实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激根分支化刺激根分支化 在M. truncatula中，AM真菌分泌一些能刺激根分支化的可扩散的化合物。这种响应可以在基因水平上进行剖析。在HPLC的部分A与部分B中，有硫酸盐与非硫酸盐的LCOs,这些能够引起root-branching stimulation (RBS)。 为了确定这是否归因于LCOs并且不污染真菌化合物。我们分别测试了硫酸盐化或非硫酸盐化的(Syn)Myc-LCOs或它们1:1的混合物在浓度范围为 10 pM 到10nM 时对M. truncatula幼苗的影响。Page 18实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激根分支化刺激根

14、分支化非硫酸盐化的(Syn)Myc-LCOs在小于10nM的浓度可以引起RBS，而硫酸盐化的(Syn)Myc-LCOs和混合的(Syn)Myc-LCOs在小于0.1nM的浓度即可引起RBS，有的实验甚至小于0.01即可。硫酸盐化和非硫酸盐化的Myc-LCOs均有生理活性，但硫酸盐化的活性大约高100倍。Page 19实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激根分支化刺激根分支化在M. truncatula中确定的共生信号通路包括：结瘤感知因子 (NFP and LYK3)的基因编码、钙信号(DMI1, DMI2 and DMI3)的基因编码、特异性结瘤转录因子 (NSP1 and NSP2)。这些

15、基因都是nodulation（结瘤）所必须的，DMI1, DMI2 and DMI3 还是mycorrhization（菌根化）所必须的基因。除了刺激通过 S. meliloti（根瘤菌）结瘤因子引起RBS的LYK3基因。而硫酸盐化的 Myc-LCOs与S. meliloti（根瘤菌）结瘤因子有相似的结构。它引起RBS可能是通过结瘤信号通路：为了避免Nod和Myc通路可能交叉，我们首先测试了硫酸盐化的Myc-LCOs（at 10nM).Page 20实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激根分支化刺激根分支化RBS响应依赖于3个DMI基因。而响应独立于NSP1基因，这表明 非硫酸盐化的Myc-LCOs不会通过结瘤通路触发RBS。而响应依赖于NSP2.因此我们重新定量评估了Myc基因在菌根形成的初期阶段表型。nsp2-2突变株显示出比野生型植物高度显著降低41定植水平。说明NSP2基因在Myc信号化中。这表明非硫酸盐化的Myc-LCOs是通过Myc信号通路来引发RBS的。Page 21实验部分实验部分Myc-LCOs 刺激根分支化刺激根分支化从农学的角度看，调查 Myc-LCOs在植物根的整个成长过程中的影响是比较重要的。为了避免由于路径串扰而可能出现的偏