木兰科植物的丛枝菌根真菌多样性及协同进化特征

The coevolution between AM fungi and Magnoliaceae plants plays an important role in the early evolution of Angiosperm. The project aims at solving the key scientific problem that what kinds of important features of arbuscular mycorrhizal (AM) fungi were preserved in the long-term coevolution process between indigenous AM fungi and Magnoliaceae plants. The AM fungi diversity and AM morphology of Magnoliaceae plants will be studied by using molecular techniques and traditional morphological methods in Huangshan fieldwork platform. Afterwards, Huangshan Mganolia (Magnolia cylindrica) will be chosen for mycorrhizal inoculation experiments. The AM morphological structure and molecular classification of AM fungi in the roots of Magnolia cylindrica will be analyzed to explore the relationship among AM fungi morphological species, molecular species and AM symbiotic structure. The results of AM fungi diversity and coevolution character in Magnoliaceae will reveal the important role that AM fungi play in the early evolution of Angiosperm.

木兰科植物与AM真菌的协同进化在被子植物早期演化中具有重要科学意义。为了解决“AM真菌与木兰科植物在长期协同进化过程中保留了哪些重要特征？”这一关键科学问题，本项目以黄山自然保护区野外工作站为研究平台，运用分子生物学技术并结合菌根学传统形态分类方法，研究木兰科植物AM真菌多样性及菌根形态结构。然后选择黄山代表性木兰科植物——黄山木兰作为菌根化研究对象，开展温室接种实验，进行根部AM真菌分子检测及菌根形态结构分析，深入探讨AM真菌形态种—分子种—菌根共生结构三者之间的相互关系，揭示木兰科植物与AM真菌协同进化过程中AM真菌多样性及共生体结构的共同特征，探索AM真菌在被子植物早期演化中的作用。本项目在研究原始被子植物与AM真菌的系统进化方面引入了崭新的思路，也是生物多样性保护的重要内容。

本研究运用菌根学传统形态分类与分子生物学相结合的方法，辅以生理生化、微生物显微检测手段，研究了野生木兰科植物根系及根际土壤中AM真菌多样性，然后在温室中构建了AM真菌-黄山木兰共生体系，追踪研究了黄山木兰共生体发育过程及共生结构特征，利用q-PCR技术研究了SCP1基因在AM真菌定殖过程中的表达规律。研究结果包括以下几个方面：.1. 通过对野生木兰科植物根系进行Illumina Miseq测序分析，共检测到10科18属37种AM真菌，球囊霉属（Glomus）为广布优势属，无梗囊霉属（Acaulospora）和根孢囊霉属（Rhizophagus）在不同生境中占有优势（22.5%和40.7%）。黄山木兰和紫玉兰根系内的AM真菌物种最为丰富。木兰科植物的根内菌丝、菌丝圈、丛枝定殖率及根外菌丝量之间呈现出显著正相关关系（P＜0.01）。.2. 通过对野生木兰科植物根际土样进行Illumina Miseq测序分析，共检测到14属30种AM真菌。野生木兰科植物对某些AM真菌种类具有一定的偏好性（preference），Glomus sp. PSAMG2、 Acaulospora mellea、Septoglomus constrictum等AM真菌物种在木兰科各个种的根际中分布广泛且数量很多。高海拔特殊生境中的天目木兰根内的Rhizophagus intraradices及根际中的Acaulospora brasiliensis为宿主植物重要的环境依赖因素。宿主植物对AM真菌的偏好性是木兰科植物在黄山自然生态系统中与AM真菌协同进化、长期共存的结果。.3. AM真菌侵染黄山木兰根系后，在宿主根组织中形成了典型的“一级菌丝圈+二级丛枝”结构，结构方程模型显示具有原始特征的菌丝圈典型构造决定着丛枝的生成与发育（β=0.79，0.89，0.65），主导着AM真菌在宿主体内的定殖过程（β=0.67，0.52，0.49）。接种AM真菌后，黄山木兰SCP1基因表达增强，混合接种的SCP1基因表达比单接种更为高效，说明不同种类AM真菌对菌根共生发育具有协同积累效应。.4. 基于以上实验结果，木兰科植物与AM真菌长期进化过程中保留了许多古老的协同进化特征，同时体现在宿主植物对AM真菌的物种偏好性及古老菌根共生结构的延续两大方面。这些协同进化特征使得木兰科植物在漫长的植物进化史中顽强生活至今，成