亚林所科研团队揭示盐碱地共生真菌二倍体杂合优势形成机制

　　近日，亚林所林业微生物研究团队在Nature Communications（自然-通讯）发表题为“Intraspecific diploidization of a halophyte root fungus drives heterosis（盐生植物根系真菌种内杂交二倍体驱动的杂合优势）”的论文，研究团队历时五年揭示盐碱地共生真菌二倍体杂合优势形成机制，该成果为加深认识DSE真菌的适应性机制提供了新的见解并为今后筛选高效菌株应用于树木抗性育苗奠定理论基础。
　　困难立地修复一直是我国林业生态工程的重要内容。盐碱胁迫是制约我国生态防护林工程、沿海滩涂绿化工程和盐土农林业发展的重要瓶颈。发掘盐生植物共生微生物资源，开发高效的微生物接种剂，是解决上述瓶颈的有效途径。由于缺乏模式研究体系，共生菌适应盐碱胁迫的生理与分子机制仍缺乏深入研究，这阻碍了共生菌的筛选与功能评价。
　　亚林所林业微生物研究团队前期从滩涂盐碱地分离鉴定了一种新的深色有隔内生真菌（dark septate endophytes,DSEs）—金链根际盐生霉（Laburnicola rhizohalophila）（Yuan et al., 2020），能显著促进苗木根系发育和耐盐性。群体遗传分析揭示L. rhizohalophila存在明显的种群结构和遗传分化并发现黑色素合成基因簇受到了强烈的正向选择（Yuan et al., 2021；He and Yuan, 2021）。这种DSE真菌黑色素化被认为是共生菌适应盐胁迫的重要机制之一。研究进一步发现某些菌株基因组加倍且有一定的杂合度，表明可能存在由杂交形成的L. rhizohalophila二倍体形式。为揭示二倍体的形成机理，结合Hi-C和PacBio HIFI测序技术完成菌株染色体级别组装。通过染色体数目、基因组大小、基因数量、流式细胞技术和细胞学等证据表明L. rhizohalophila菌株JP19和JP8为杂合二倍体，基因组大小约130 Mb（接近拟南芥基因组），这在植物共生真菌类群中鲜有报道。进一步通过亚基因组拆分、系统发育树重建和杂合SNPs溯源，表明二倍体JP19由两个单倍体亲本JP11和R22菌株杂交形成。体外测试表明JP19在多种非生物胁迫中表现出条件依赖型的生长优势（growth vigor or heterosis），即生长和抗性均显著优于两个亲本。通过比较二倍体与亲本的基因表达模式，发现JP19在最佳盐浓度生长条件（0.3 M NaCl）下膜脂生物合成途径的相关基因呈现超亲上调表达（transgressive upregulation）。生理证据也表明在0.3 M NaCl条件下，JP19的细胞膜完整性和脂滴累积明显增加，而丙二醛含量则明显降低。这些性状对于JP19适应盐胁至关重要，为今后筛选高效菌株应用于树木抗性育苗奠定理论基础。
　　亚林所李忠风助理研究员和博士研究生朱志勇等为第一作者。袁志林研究员、中国农业科学院作物科学研究所周鹏研究员和法国农科院Francis M. Martin院士（亚林所客座教授）为共同通讯作者。在即将举行的第十二届国际菌根学术会议上，袁志林研究员将应邀对该科研进展进行专题报告；该研究内容同时在Research Communities平台配发相应的论文故事与观点文章。
　　基于上述成果，团队进一步挖掘了JP19的应用潜力，建立了JP19与杨树、盐生植物和模式植物等多个共生体系，发现JP19比单倍体菌株具有更优的促生耐盐效果，为创制高效新型菌剂应用于盐碱地生态修复和盐土农林业的高效培育提供了重要技术依据。授权国家发明专利1件ZL 201911213441.9（发明人：杨预展、袁志林和王欣玉）。目前初步完成菌剂的中试生产，拟在育苗基地开展接种试验。
　　研究工作得到了中国林业科学研究院中央公益性科研业务费专项基金（CAFYBB2020ZY002-1）和国家自然科学基金青年项目“一种盐碱地DSE真菌生境偏好性及种群适应性机制”（32200097）的资助。（李忠风）
中国林科院 　2024-07-16

关键词 林木遗传育种  树木抗性育苗  微生物  真菌  盐碱胁迫