丛枝菌根在多个被子植物科中演变丢失的分子遗传机制

地球上绝大多数陆地植物的根部会与真菌形成一种互相交换营养的共生体，称为菌根。但在被子植物中，大约14%的物种在自然条件下却不再依赖菌根这一原始的营养获取方式，其演变过程及内在原因一直未被深入研究。近年来随着分子遗传学和基因组学的快速发展，控制菌根形成的多个共生基因被陆续发现，这为调查菌根在多个被子植物类群中演变丢失的内在机制提供了重要基石。本研究项目选取有代表性，且背景研究较清晰的十字花科、伞形科、莎草科、禾本科共四个类群为研究对象，从分子进化的角度，调查多个共生基因（DMI1, DMI2, DMI3）在其代表性物种中的分布及演化表达规律。其研究结果不仅将系统的验证这些类群中共生基因与菌根性状的关联性；而且可揭示当物种向非菌根转化时，其内在遗传机制演化变异、丢失或被调控抑制的具体过程。本项目还将有助于鉴别不同经济作物品种形成菌根能力的差异性，为改善种植模式，推广绿色农业奠定理论基础。

地球上绝大多数陆地植物的根部会与丛枝真菌形成互相交换营养的共生体，称为丛枝菌根。但在以十字花科为代表的一些被子植物类群中，许多物种在自然条件下却不再形成丛枝菌根，其丢失演变的过程及分子机制值得深入研究。针对于此，本项目首先仔细调查了35个陆地植物与6个绿藻类植物基因组数据，鉴定了三个重要共生基因（DMI1/Pollux, Castor, DMI3/CCaMK）在这些植物基因组中的存在情况。总体上看，在多数植物基因组中，三个共生基因都倾向于维持单个拷贝，在少数物种中存在基因复制。数据表明：DMI3/CCaMK基因的起源节点与陆地植物大体上同步，而DMI1/Pollux, Castor两个基因的起源时间早于陆地植物。在十字花科植物基因组中，DMI3/CCaMK基因与Castor两个基因已经缺失，这与其不形成共生菌根的性状一致。接下来，本项目收集了以十字花科为代表的多个植物类群的相关物种材料，尝试通过分子手段从这些物种中分离得到相关共生基因的序列，并进行分析。结果表明，在十字花科物种中，DMI3/CCaMK基因与Castor两个基因确实缺失，而DMI1/Pollux基因却不仅被保存下来，还经常复制出多个不同拷贝。而在伞形科的物种中，三个共生基因基本全部存在。菌根性状的鉴定实验结果也同时表明，十字花科物种根部基本不形成丛枝菌根，而伞形科物种根部经常观察到菌根结构。综合结果表明DMI3/CCaMK基因与菌根性状的关联性最好，可用于今后植物物种菌根形成能力的分子鉴定。而DMI1/Pollux基因很可能在十字花科等类群中参与了其他功能，这一点值得进一步研究。此外，我们还分离、培养了多个丛枝真菌物种，并在实验室环境下利用这些丛枝真菌分别与不同植物物种，以及禾本科的一些重要经济作物（如水稻、小麦的不同品种）进行了接种实验，关注了植物物种或作物品种与不同丛枝真菌的配合生长情况。这也是我们今后将要关注的一个重要研究方向。