植物如何识别土壤中有益微生物

多年来，科学家们一直都想知道豆科植物——其根部的根瘤菌从稀薄的空气中生产植物必不可少的营养——是如何识别这些细菌既友好又不同于其自身的细胞以及寄主植物的蛋白质是如何找到这些细菌并利用这些“意外收获”的。

近日，由王东（音译）带领的美国马萨诸塞大学安姆斯特分校的分子植物学家们通过对蒺藜状苜蓿的研究，揭示了寄主植物基因如何编码一种蛋白质——识别共生菌的细胞膜，并引导其他蛋白质吸收营养。

植物经常通过微生物来帮助它们满足对营养的需求，并以光合作用的产物作为“报酬”。大部分陆生植物的这一过程依靠的是与菌根菌的共生——丛枝菌根的结构帮助植物吸收土壤中的磷、硫、氮和其他微量元素。因为土壤中氮含量是有限的，这种方法类似于“搜寻”。

相比之下，豆科植物的“技艺”显得更为先进：它们利用一种名为根瘤菌的细菌固氮，并将之转化为植物肥料氨元素。与根瘤菌共生意味着豆类可以通过固定空气中的氮制造氨。大气中氮的比例为78%，“本质上是无限的。”研究人员说。

凭借这一“技艺”，豆科植物可以不依靠土壤中稀少的氮元素而获得它们所需的氮肥。“当品尝营养丰富的豆腐或毛豆，你会感谢这些根瘤菌以及它们与豆类的‘联姻’。”王东解释道。

“在我们这个研究领域，让无固氮能力的植物获得这种能力是大家的梦想。”王东说，“这个研究让我们又近了一步。”

王东的团队研究发现，微生物与植物通过细胞膜交换营养的过程中，细胞膜为寄主植物一种特殊编码的蛋白质所识别。“这就像植物发现了如何制造一个自由贸易区。”研究者解释道。

为了研究这种“贸易”如何进行，该研究团队对SYNTAXIN132这种基因进行了研究，其编码的SYP132受体，通常用于识别细胞膜并与分泌囊泡进行作用。

他们发现这种SYP132受体通常寻找植物细胞表面膜并与之作用。当根瘤菌在寄主中存在时，相同的基因就会产生另一种蛋白质，而这种蛋白质会寻找根瘤菌细胞膜。令人惊喜的是，丛枝菌根真菌共生体共享相同的SYP132受体。科学家现在明白，丛枝菌根菌和固氮菌周围的寄主细胞膜有相同之处。

他补充说，基因知道根瘤菌的存在且制造了替代蛋白质来找到其细胞膜，这意味着寄主能够区分并选择细胞膜。

“我们发现，两种SYP132蛋白是不一样的，虽然它们都来自同一基因。这个基因有两种转录本，就像一部电影有两种结局。没有人知道存在两种蛋白质。”王东解释道，“所以，答案是一种基因能利用可选择的终端外显子以不同序列创造蛋白质，这决定了细胞中蛋白质最终是怎样发生作用的。”
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