Functional Ecology | 碳从树木到菌根真菌子实体的运输速度和形式

文摘   Science   2024-04-23 19:24   澳大利亚  

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通讯作者Tamir Klein(魏茨曼科学研究所)
发表时间2024.3.11

原文链接

https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1365-2435.14541




微生物可以与植物形成复杂的共生关系,提高植物在自然环境下的生产力和健康状况。菌根真菌是对植物有益的微生物之一,时刻与宿主植物发生资源交换。其中,外生菌根真菌(EMF)是温带森林重要的共生真菌类群,为宿主植物提供养分和水分。野外量化植物对共生真菌的碳分配十分困难,学者通常利用13C同位素标记法跟踪宿主植物的碳去向。研究表明,根箱中宿主植物的碳运输到EMF子实体的时间约为1天,野外则需要6天。森林中EMF子实体的生产取决于树木近期同化的光合产物分配。

以往的研究假设植物以糖的形式向共生真菌运输碳,也有少量的研究认为植物向真菌转运的是氨基酸和有机酸。大多数追踪植物和菌根真菌之间代谢物转移的研究基于基因鉴定和转录水平测定,缺乏直接追踪代谢物的研究。少量的直接测定代谢物的研究发现,双色蜡蘑(Laccaria bicolor)可以直接合成甘氨酸、谷氨酸和尿囊素,而其果糖和葡萄糖则来自宿主植物美洲山杨(Populus tremuloides)。蔗糖作为关键的碳水化合物,一般认为要先水解为果糖和葡萄糖(己糖)后才能运输给EMF。另外,EMF可以有效利用单糖。

尽管植物运输给EMF的碳占其总光合产物的50%,关于运输过程的细节和证据还很少。本研究通过原位13CO2标记实验,追踪宿主植物地中海松(Pinus halepensis)针叶、根尖以及与其共生的两种EMF子实体的碳转移动态,结合根尖和子实体的非靶向代谢谱分析,提出以下假设:(1)宿主植物同化的碳约一周后出现在EMF子实体;(2)碳主要以己糖的形式从宿主植物运输至EMF子实体。

结果表明,被标记的碳两天之后出现在EMF的子实体,第5天达到峰值。根系和EMF子实体中发现的被标记的代谢物超过100种,其中,17种同时出现在根尖和两种EMF子实体。根尖被标记的代谢物主要为氨基酸和三羧酸循环的中间产物,EMF子实体中被标记的代谢物主要为氨基酸、核苷酸和脂肪酸。宿主作为EMF的唯一碳源,每日碳同化量为5.4 g,每月碳同化量约为165 g。每棵宿主植物周围约有10个子实体,每个子实体大约需要10 g碳,因此,宿主植物对共生真菌子实体的碳投入约占植物总碳分配的6%。综上,代谢物从根尖运输到EMF子实体的速度比传统认为的更快,且化学形式多样。



图1.  标记的13C从松属树种向共生真菌子实体的运输过程示意图。红色的圆圈表示用于同位素测定和代谢物分析的组织。图片左侧为牛肝菌(Suillus collinitus)的子实体,图片右侧为灰棕口蘑(Tricholoma terreum)的子实体。


图2.  针叶(上)、根系(中)和子实体(下)δ13C的时间动态。图中黄色表示牛肝菌,棕色表示灰棕口蘑。每个点代表该组织的一个样本。

图3.  牛肝菌(黄色)和灰棕口蘑(棕色)子实体的δ13C)值随距被标记的植株树干距离增加的改变

图4.  地中海松根系和与其共生的EMF子实体中被标记的代谢物韦恩图

图5.  地中海松根系和灰棕口蘑子实体的半极性和极性代谢物随时间变化的热图



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