AM真菌和植物根系通过VOCs的相互识别及其机制研究

The recognition between arbuscular mycorrhizas (AM) fungi and plant roots is the precursor step for the establishment of AM symbiosis. In this project, the reciprocal recognitions between the roots of Arabadopsis thaliana/Lotus japonicus and AM fungi Rhizophagus irregularis/Gigaspora margarita through volatile organic compounds (VOCs) will be verified by applying special culture systems designed by the applicant together with morphological analysis; by morphological analysis of mutants defected in key elements of common symbiosis signaling pathway (SYM) or auxin metabolism pathway, coupling with high-throughput transcriptome sequencing technique, the plant signaling pathway(s) as well as AM fungal genes involved in the VOCs induced changes will be clarified; headspace solid-phase micro-extraction (HS-SPME) coupled with GC/MS technique will be employed to identify the VOCs profiles emitted by both AM fungi and plant roots. By referring to the existing literatures, the potential signaling compound(s) will be selected and their biological activity will be evaluated. The prospective results of this project will elucidate the mechanism of the underlying recognition between AM fungi and plant roots through VOCs and make complementary contributions to the AM symbiosis theory. The results are also expected to serve the AM application research.

丛枝菌根（AM）真菌与植物根系的相互识别是AM建立的先决条件。本项目以植物拟南芥、日本百脉根和AM真菌Rhizophagus irregularis、Gigaspora margarita为研究对象，结合申请人自行设计的培养体系和形态学分析方法验证AM真菌与植物根系通过挥发性有机物（VOCs）的相互识别、明确识别过程的形态变化特征；通过对与AM真菌隔离共培养条件下植物共生信号途径（SYM）和生长素代谢途径关键基因突变体的根系表型分析并结合转录组高通量测序技术阐明参与VOCs介导的识别过程的植物信号途径和AM真菌基因；应用顶空固相微萃取（HS-SPME）和GC/MS技术分别收集和鉴定AM真菌和植物根系产生的VOCs、测试主要和活性组分的生物学活性、筛选在识别过程中起关键作用的化合物，阐明AM真菌与植物根系通过VOCs相互识别的机制，丰富和完善AM共生理论，为AM真菌的应用研究提供理论基础。

丛枝菌根（AM）真菌与宿主根系的相互识别，特别是在物理接触前期，对丛枝菌根的建立至关重要，本项目以植物拟南芥、日本百脉根和AM真菌Rhizophagus irregularis、Gigaspora margarita等为研究对象，进行了如下研究：.（1）AM真菌和植物材料的获取和繁殖。从国外相关菌种保藏中心和拟南芥突变体库购买了相应的实验材料。对实验材料进行了繁殖，期间发明了一种高效的AM真菌的扩繁方法和AM真菌孢子的表面消毒方法。.（2）AM真菌与植物根系通过挥发性有机物（VOCs）相互识别的验证及识别特征研究。采用自行设计的多种体系证实了AM真菌释放的VOCs能够诱导宿主植物根系分支，植物根系在接收到AM真菌释放的VOCs后能够定位并朝向AM真菌生长。植物根系对AM真菌VOCs的响应依赖于植物自身的磷营养水平，低磷条件下AM真菌VOCs植物根系分支更多。AM真菌VOCs同样能够诱导非宿主植物拟南芥根系分支，即这种效应没有宿主专一性。不同的是，AM真菌分泌物诱导根系分支有明显的宿主专一性。另外AM真菌VOCs诱导植物根系分支的效应不同于ECM真菌。植物根系释放的VOCs不能促进AM真菌孢子萌发但能够诱导AM真菌菌丝对植物根系的定位。.（3）参与VOCs介导的识别过程的植物基因研究。通过qRT-PCR并结合特定基因突变体，验证了LjCCD7可能参与到VOCs介导的识别过程；AM真菌释放的VOCs对植物的效应独立于SYM途径，AM真菌分泌物对植物根系分支的促进效应则依赖于SYM途径。通过aux1-7和tir/afb1,2,3突变体进一步验证了AM真菌VOCs对植物根系分支的促进作用依赖于生长素代谢途径。.（4）AM真菌和植物根系释放的VOCs分析及功能验证。应用顶空固相微萃取（HS-SPME）和GC/MS技术分别收集和鉴定了AM真菌和植物根系产生的VOCs，相对于AM真菌，植物根系产生的VOCs多样性更丰富。由于检出的VOCs大多为非常规可购买的化学成分，无法进行后续功能验证，但可以推断，这些化合物中应当包含诱发AM真菌与植物根系相互识别的关键化合物。.综上，本项目的研究结果表明早在物理接触之前AM真菌和植物就可通过彼此释放的VOCs进行相互识别，这进一步揭示了AM真菌与植物根系的高效共生机制。.