植物和菌根真菌如何合作的内部观察

数百万年来，地下真菌一直与植物根系共生。植物提供光合作用的碳，而真菌提供水和营养。为了做到这一点，这些生物在细胞尺度上共享空间：真菌将一个称为丛枝的卷须网络延伸到植物的根细胞中，两种生物都围绕这个结构重新排列细胞以促进共享。

最近，研究人员能够近距离研究这种相互作用的两面，使用RNA测序来了解基因表达：这是迄今为止最早的跨王国空间分辨转录组学研究之一。这篇论文作为封面文章出现在《自然植物》杂志上

这项工作的高级作者Benjamin Cole说：“我们想在细胞水平上更好地了解这种共生关系的性质，真正了解这两种细胞类型（两种不同生物体）是如何相互作用的，而没有周围社区的所有噪音或其他生物活动。”

Cole是美国能源部联合基因组研究所（JGI）的研究科学家，该研究所是位于劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的美国能源部科学办公室用户设施

对这种共生关系的具体理解可以在多个方向上提供改进。在真菌方面，地下菌根网络可以作为植物从吸收的二氧化碳中产生的碳化合物的蓄水池。这样，鼓励这种共生关系可以改善土壤储存大气中碳的方式。对于植物来说，加强这种关系可以改善在营养不良的田地里生长的生物燃料原料

Karen Serrano说：“这是一种相互作用，使植物能够更好地在这些环境中生存。”。她是这篇论文的第一作者，也是联合生物能源研究所（JBEI）的研究生

作为2021实验室指导研发（LDRD）计划的一部分，Cole与JBEI合作领导了这项工作。Cole还在2021年获得了美国能源部早期职业研究计划（ECRP）奖，该奖项的部分目的是在这项工作的基础上再接再厉。前JGI博士后学者Margot Bezrutczyk与Cole和Serrano广泛合作，收集和分析了这项工作所利用的单核和空间转录组学数据

来源：联合基因组研究所

这些实验同时集中在两个物种上：模式豆类物种截茎苜蓿和菌根真菌非规则根吞噬菌。

为了观察这些生物是如何合作的，该团队将非规则根腐菌孢子直接应用于生长在受控环境室中的截茎M.truncatula幼苗，使真菌能够在植物根部定植。然后，与未经真菌处理的对照幼苗相比，他们使用多种方法来观察植物细胞和真菌细胞中的基因表达

研究人员使用一种称为单核RNA测序的技术，在截根M.truncatula根细胞中鉴定了不同的细胞类型，并分析了它们的基因表达

然后，研究人员使用了一种名为空间转录组学的技术来生成基因表达图谱。这种空间转录组学技术使他们能够理解直径约55微米的圆形捕获区域内的基因表达；大约一根头发的宽度。在这样的分辨率下，这些空间转录组学数据捕获了来自植物细胞和真菌细胞的分子信息

Serrano说：“因为这项技术只依赖于聚腺苷酸转录物捕获，即来自真核生物的任何RNA，我们能够捕获植物和真菌的转录物。”。该团队量化了12000多个真菌基因以及相关植物基因的表达

总之，这些数据提供了这种共生关系不同阶段植物和真菌活动的细粒度视图。在这项活动中，Serrano、Cole和他们的团队发现了1000多个上调的基因，其中188个与之前在同一系统中的研究共享。有了正确的功能特征，这些基因可以成为调节这种共生关系的表盘。塞拉诺说：“这些都是基因工程的绝佳候选者。我们希望整个社区都能跟进。”

这项工作的重点是一个相对熟悉的模型系统，因此未来的方向还将包括在类似的研究中瞄准生物燃料原料。科尔说：“我们想研究其他生物能源草中的丛枝菌根共生，如高粱和柳枝稷。我们现在正在优化系统，以便使这些系统发挥作用。”