人工肥料的替代品：小肽增强植物和真菌之间的共生关系

工业化农业实践往往会耗尽土壤中重要的营养物质和矿物质，使农民不得不依靠人工肥料来支持植物生长。事实上，自20世纪60年代以来，化肥的使用量翻了两番多，但这带来了严重的后果。化肥生产消耗了大量的能源，其使用污染了水、空气和土地

索尔克研究所的植物生物学家正在提出一种新的解决方案，以帮助打破这种不可持续的施肥习惯。在一项新的研究中，研究人员发现了一种由植物根系产生的关键分子，一种名为CLE16的小肽，它能促进植物和有益的土壤真菌相互作用。他们说，促进这种共生关系，即真菌通过补充CLE16为植物提供矿物质营养，可能是一种更自然、更可持续的方法，可以在不使用有害的人工肥料的情况下促进作物生长

研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上

Salk的助理教授、资深作者Lena Mueller说：“许多植物进化到与其他物种建立共生关系，但工业育种技术抑制了我们现代作物的许多共生特征，并巩固了它们对化肥的依赖。”

“通过恢复植物根系和真菌之间的自然共生关系，我们可以帮助作物在不使用有害肥料的情况下获得所需的营养。”

在这种互利关系中，土壤传播的丛枝菌根真菌为植物提供水和磷，植物接受这些水和磷来交换碳分子。这些交换是由被称为丛枝的特殊共生真菌卷须发生的，它们将自己埋在植物根细胞中

大约80%的植物可以通过这种方式与真菌交换资源。然而，支持这种共生关系的特征在几个世纪的农业植物育种中被削弱了，这些育种优先培育产量最高的作物

索尔克的科学家们表示，可以培育新的作物品种来再次增强这些特性——他们打算通过该研究所的“利用植物倡议”来探索这一机会

为了开始发现和加强这些特征，Mueller的实验室首先种植了一种丛枝菌根真菌和地中海的一种小型豆科植物Medicago truncatula。一旦两者形成了共生关系，研究人员就会观察哪些基因支持这种相互作用

豆类已经开始表达大量的一种名为CLE16的小信号分子，CLE16是CLE肽家族的成员。这些小信号分子存在于许多植物物种中，但研究相对不足。在CLE16之前，科学家们研究的唯一植物CLE肽都是对抗共生的

“我们发现了第一个真正有利于和促进共生的植物CLE肽，”第一作者、穆勒实验室的研究生Sagar Bashyal说。“从科学角度来看，对这些肽有如此令人惊讶的新见解真的很令人兴奋。这是朝着在该领域实现可持续的植物-真菌关系迈出的一大步。”

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为了确认CLE16促进了共生关系，Bashyal向土壤中添加了过量的CLE16，看看会发生什么。额外剂量的CLE16使真菌丛变得更加健壮，寿命更长，最终增加了根中这些营养交换结构的丰度。结果是一个自我放大的促共生信号：有益真菌在根内扩展得越多，植物产生的CLE16就越多，从而促进了更多的真菌定植

研究小组随后进行了一系列实验，以了解CLE16如何促进植物和有益真菌之间的相互作用。他们的发现表明，CLE16通过信号蛋白CORYNE（CRN）促进共生，CRN是CLAVATA受体复合物的一个组成部分，以其在植物对环境的反应中的作用而闻名

当植物受到压力时，它会进入一种增强的免疫状态，以保护自己免受任何进一步的威胁。然而，这也无意中使植物对周围的真菌不那么敏感。Mueller预测，当CLE16与CRN-CLAVATA受体复合物结合时，这会降低植物的应激水平和免疫反应性，使有益真菌进入植物根部并开始营养交换

重要的是，Mueller的团队表明，许多丛枝菌根真菌也会产生自己的CLE16样肽，当添加到土壤中时，也会促进共生。研究人员认为，这些真菌肽模仿了植物自身的CLE16肽，从而使有益真菌能够通过与相同的植物CRN-CLAVATA受体复合物结合来增强共生关系

经过验证，植物CLE16和真菌CLE16样肽补充剂都能改善共生关系，在农田上进行类似的补充剂可能是启动真菌网络生长的解决方案，这些网络年复一年地有益于作物

未来的工作将验证CLE16肽或真菌CLE16样肽模拟物是否也能促进大豆、玉米或小麦等重要作物的共生。如果他们这样做，将开始利用这些分子用有益的真菌取代不可持续、污染严重的化肥

Mueller说：“除了作为生物肥料外，丛枝菌根真菌还为植物增加了一层自然保护，这也可以帮助我们减少农药的使用。”

“如果我们能够利用有益的真菌和其他微生物来帮助植物建立这些共生关系，从长远来看，我们可以使我们的作物、田地和土壤更可持续、更健康。”