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连宾教授课题组在外生菌根菌促进矿物风化的微观调控机制研究中取得系列成果

外生菌根(Ectomycorrhizal, ECM)真菌是森林生态系统中普遍存在的一类特殊的活体营养型真菌,能与木本植物细根形成菌根共生体,促进宿主植物对水分与矿质营养的吸收以换取自身生长所需的碳源。ECM真菌与植物的互惠关系极大地促进矿物风化、元素生物地球化学循环以及二氧化碳的固定。但ECM真菌与植物的共生体系中还存在许多难以理解的科学问题有待进一步研究。

草酸是ECM真菌与一些植物细根风化矿物的重要介质,但也是一种普遍存在的营养胁迫因子,草酸容易与许多金属(如钙、镁、铁、锌等)离子形成难溶性的络合物覆盖在矿物及菌丝体的表面而影响矿物的进一步风化与真菌对风化产物的吸收。然而,土壤中存在种类丰富的能够降解草酸盐的细菌,它们对缓解草酸盐积累的毒性效应可能发挥了重要作用。我们利用定量PCR与功能基因测序手段检测并解析了外生菌根际草酸盐降解菌数量与群落组成,结合SEM, XRD 和HRTEM等手段研究了细菌降解草酸盐所生成的次生矿物。结果发现外生菌根际拥有种类丰富的草酸盐降解菌,外生菌根能够塑造明显区别于非菌根际土壤的草酸盐降解菌类群。此外,我们从菌根际土壤分离获得多株可培养的草酸盐降解细菌,并对其中一株Streptomyces sp. NJ10开展了深入研究,发现该菌能够降解草酸钙并形成碳酸盐矿物,暗示草酸盐降解菌不仅在ECM真菌风化矿物过程中发挥作用,而且在土壤碳固定过程也扮演重要角色。该研究表明ECM真菌能够调控其周边微区域特殊细菌的群落,塑造有利的矿物风化与营养吸收环境,并在土壤碳汇中发挥重要作用。该工作相关成果近期以“Oxalotrophic bacterial assemblages in the ectomycorrhizosphere of forest trees and their effects on oxalate degradation and carbon fixation potential”为题发表于国际著名地球化学期刊Chemical Geology(IF: 3.618,5年综合影响因子为4.169,地学TOP期刊)。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254119301391

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现有的教科书都提到ECM真菌能够通过生物风化作用从土壤矿物中获取营养元素并与宿主植物交换碳源物质,但事实上很多种ECM真菌的生长速度极为缓慢,风化能力也不强,它们对土壤矿物风化的很多细节并不清楚。为此,我们采用RNA-seq技术探究了ECM真菌豹斑鹅膏(Amanita pantherina)风化含钾矿物或(和)磷灰石的基因差异表达特征,发现该真菌不能通过上调小分子有机酸合成来行使其对矿物的风化作用,利用磷灰石能力不强,显示出较弱的矿物风化能力;但该真菌仍能够迅速对钾和磷养分的缺乏作出响应,上调相关代谢途径的物质合成,其中,增强离子转运蛋白的转运效率是豹斑鹅膏菌在钾和磷缺乏条件下最显著的分子调控过程,如属于HAK家族的高亲和性钾离子转运蛋白ApHAK1的转录本显著上调;此外,还可通过促进不饱和脂肪酸和甾类物质合成来调整细胞膜结构,以便更有效的吸收胞外养分。进一步的分析表明,在森林生态系统中,低风化能力的ECM真菌可通过富集具有高风化潜能的细菌来促进矿物风化,并通过自身的高亲和性转运系统吸收溶出的矿质营养来供应自身和宿主植物。近期,该工作相关成果以“Transcriptome analysis provides novel insights into the capacity of the ectomycorrhizal fungus Amanita pantherina to weather K-containing feldspar and apatite”为题发表于美国微生物学协会出版的著名期刊Applied and Environmental Microbiology(IF: 4.077,5年综合影响因子为4.701,微生物学TOP期刊)。

论文链接:https://aem.asm.org/content/early/2019/05/20/AEM.00719-19

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以上两篇论文第一作者均是2019届生态学专业博士研究生孙启彪(现为九江学院药学与生命科学学院青年教师),生科院生物技术专业硕士研究生李静和付紫玉参与了这两篇论文的部分实验工作,欧洲著名地质真菌学家,瑞典农业大学Roger Finlay教授参与了上述论文的讨论和修改工作,生科院连宾教授为以上论文的通讯作者。该研究受到国家自然科学基金项目的资助。