New Phytologist | 英国剑桥大学构建植物根部菌根真菌的定量分析新方法！

土壤真菌与超过85%的维管束陆地植物的根部建立相互作用（Science | 植物与真菌的海誓山盟！研究揭示脂质交换驱动植物陆地化过程中的共生进化！）。这些相互作用，被称为菌根，导致围绕根部表面形成密集的菌丝鞘（外生菌根），或导致真菌菌丝渗透到宿主组织（内生菌根）。最具特色的内生菌根类型，称为丛枝菌根(AM)，涉及球囊菌亚门的物种（Nature Reviews Microbiology | 权威综述解读菌根共生中的独特和共同特征）。AM真菌菌丝在交换可扩散的化学物质后，向植物根部生长。在根部表面的穿透点，菌丝分化成膨胀的或分支的结构，称为透明菌丝。进入和穿透根部表皮后，菌丝在皮层细胞之间传播(Arum型定殖)，或通过皮层细胞的细胞内通道传播(Paris型定殖)。高度分枝的细胞内交换结构的分化，即丛枝，伴随着菌丝的生长，使共生体之间的营养相互转移。丛枝后的发育包括囊泡和孢子的分化。虽然这些连续的分化事件反映了一个精确的形态发生过程，但整个菌丝网络并不同步。因此，各种类型的根内菌丝结构在植物根部同时发生。

丛枝菌根真菌是内生菌根研究中最广泛的特征之一。到目前为止，对不规则丛枝菌根真菌的遗传操作仍然具有挑战性，AM真菌共生研究的主要进展与实验上更难处理的植物宿主有关。根部定殖的程度和突变体根部的根内菌丝结构的相对丰度是描述菌根建立和适应的宿主基因的基本参数。菌根反应的宿主基因有利于真菌定殖的分子量化。例如，在没有菌根的情况下，MtPT4基因的表达仅限于根尖，而具有丛枝的细胞则表达MtPT4，使植物获得无机磷。同样，编码蒺藜苜蓿蓝色铜结合蛋白1和百脉根非质外体枯草杆菌酶SbtM的转录丰度与菌根发育过程中的阶段转换相关。

2021年8月27日，国际权威学术期刊New Phytologist发表了英国剑桥大学塞恩斯伯里实验室Sebastian Schornack（Science | 重磅！植物和微生物的新途径：与共生微生物和病原微生物的相互作用驱动植物进化！PLOS Biology | 英国剑桥大学研究揭示植物体内丛枝菌根定殖的实时可视化方法！）团队的最新相关研究成果，题为Deep learning-based quantification of arbuscular mycorrhizal fungi in plant roots的研究论文。

目前，量化根部定殖程度和突变体根部菌丝结构丰度的方法依赖于染色和人工检测，涉及简单但重复的任务，容易在实验者之间产生差异。本研究开发了AMFinder，它可以使用卷积神经网络对墨染根图像上的AM真菌定殖和根内菌丝结构进行基于计算机视觉的自动识别和量化。AMFinder对多种植物宿主（本氏烟草、蒺藜苜蓿、百脉根、水稻）的根部图像数据集进行了预测，并捕捉到了ram1-1、str和smax1突变体中的定殖情况变化。一个简化的样品制备和成像系统使我们能够通过平板扫描或数字显微镜对Rhizophagus、Claroideoglomus、Rhizoglomus和Funneliformis属的真菌进行量化，包括整个根系中定殖化程度随时间推移的动态增加。AMFinder能适应各种实验条件。它能对植物根系进行准确、可重复的分析，并将支持更好地记录AM真菌的定殖分析。

图1. AMFinder实现了半自动的、用户监督下的丛枝菌根真菌定殖分析

图2. AMFinder准确地标记了丛枝菌根真菌的定殖和根部内的丛枝结构

图3. AMFinder能准确识别各种模式植物宿主根部的菌根真菌定殖和根内结构

图4. AMFinder可以准确地识别不同的Glomeraceae物种定殖和根部内的形成透明体结构

图5. 计算机成像能够对整个根系上的AM真菌定殖情况进行定量分析

图6. AMFinder准确地量化了ram1、str和smax1突变体的定殖水平的改变

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