PNAS | 重磅!研究揭示肉豆蔻酸让菌根真菌非共生培养成为可能！

属于Glomeromycotina亚门的丛枝菌根真菌(AM)与超过70%的陆地植物物种形成共生关系。AM真菌通过土壤中的菌根网络为宿主提供矿物质，并从植物的光合作用中获取碳源，如糖类和脂类（Nature Reviews Microbiology | 权威综述解读菌根共生中的独特和共同特征；Science | 菌根真菌可以塑造生态系统对环境变化的反应！）。这被认为是一种专性的共生关系，因为AM真菌只有通过寄主的定殖才能完成其生命周期。然而，已经发表了几项关于AM真菌无宿主培养的研究。其中一项研究表明，将AM真菌Rhizophagus irregularis与Paenibacillus validus进行共培养，并通过透析膜相互分离，可诱导AM真菌的次生孢子形成。另一项研究报道，一些脂肪酸，包括棕榈油酸和(S)-12-甲基十四酸(anteiso-C15:0)，在AM真菌的共生培养物中诱导形成具有感染能力的次生孢子。这些结果表明，AM真菌可以在人工条件下独立于宿主植物进行培养。

2020年10月1日，权威期刊PNAS发表了日本信州大学Katsuharu Saito课题组的最新研究，题为Myristate can be used as a carbon and energy source for the asymbiotic growth of arbuscular mycorrhizal fungi，该研究证明肉豆蔻酸可以作为菌根真菌生长的碳和能量来源，促进AM真菌可以在人工条件下独立于宿主植物进行培养并产生可育孢子。

与陆地植物形成共生关系的丛枝菌根（AM）真菌是专性共生体，如果没有宿主，它们就无法完成其自然生命周期。最近关于AM真菌的脂肪酸营养缺陷的研究表明宿主植物合成的脂质已转移至真菌，而后者缺乏编码胞质脂肪酸合酶的基因。因此，为了建立AM真菌的非共生栽培体系，本研究试图确定可以促进生物量生产的脂肪酸。为了确定AM真菌是否可以在非对称条件下在添加了脂肪酸或脂质的培养基上生长，该研究测试了8种饱和或不饱和脂肪酸（C12至C18）和两种β-单酰基甘油。仅肉豆蔻酸（C14：0）导致不规则根瘤菌的生物量增加，诱导大量菌丝生长并形成具有侵染能力的次生孢子。但是，这些孢子小于共生产生的孢子。此外，我证明了R.regularis可以在其分枝菌丝中吸收脂肪酸，并利用肉豆蔻酸作为碳和能量来源。肉豆蔻酸还能促进Rhizophagus clarus和Gigaspora margarita的生长。最后，与添加单一的肉豆蔻酸相比，肉豆蔻酸和棕榈酸盐的混合物加速了真菌的生长，并诱导三酰甘油的脂肪酸组成发生了实质性的变化，尽管棕榈酸在该培养系统中没有作为细胞壁生物合成的碳源。研究结果表明，肉豆蔻酸可以促进AM真菌的共生生长，也可以作为碳源和能源。

在自然界中，AM真菌的生命周期如下。AM真菌的静止孢子发芽，然后胚管从孢子中冒出，伸入土壤中。AM真菌定殖到植物根部后，在植物皮层细胞中形成高度分枝的分生结构，称为丛枝，丛枝是AM真菌与宿主进行营养交换的场所。AM真菌从宿主处获得碳源后，在土壤中激活形成辐射外的菌丝网，并在其菌丝上形成孢子。从宿主处获得碳源，用于生产能量和真菌细胞成分的碳骨架，是AM真菌生长繁殖的关键步骤。特别是，追踪实验和核磁共振分析表明，六糖作为碳源转移到AM真菌。此外，几个AM真菌的单糖转运体已经被确定。

最近，脂质被确定为另一种植物性碳源。由于没有在根外菌丝中检测到脂肪酸的生物合成，脂质被认为是在根内菌丝中合成并转移到根外菌丝和孢子中。然而，AM真菌的基因组中并不具备编码参与新生脂肪酸生物合成的胞浆脂肪酸合成酶的基因，这表明AM真菌不能自行产生长链脂肪酸。另一方面，在AM共生过程中，植物激活了脂肪酸的生物合成，并将脂质通过丛枝转移到AM真菌。事实上，在脂肪酸生物合成基因缺陷的植物突变体中，向其共生体供应脂质的途径是特异性的，AM真菌不能发育出丛枝，它们的根系定植减少。

图1. R. irregularis在脂肪酸存在的情况下的共生培养

图2. R. irregularis在共生条件下的孢子形成情况

图3. R. irregularis在共生条件下对脂肪酸的利用

图4. 脂肪酸混合物对R.regularis生长和孢子繁殖的影响

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