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真菌或成未來“生物肥料”
發(fā)布時間：2015-04-30
科學家表示，真菌與植物根系之間的“古老關系”創(chuàng)造了一種促進根系生長的基因表達。某一天，普通的真菌能夠被用作“生物肥料”，進而取代即將面臨開采枯竭危機的磷酸鹽。
新近發(fā)表在《美國科學院院刊》（PNAS）上的研究發(fā)現，真菌與根系之間的互動改變了水稻的基因表達——觸發(fā)額外根系的生長并使水稻吸收更豐富的營養(yǎng)。
除了帶來額外根系的生長之外，在細胞層面上，細胞菌根菌也參與了根系生長。真菌長出了薄薄的卷須——菌絲，它們延展到植株周邊的土壤中并吸取營養(yǎng)，特別是磷酸鹽直接進入植物細胞的核心。
被真菌“殖民”了的植物通過菌絲直接獲得了70%~100%的磷酸鹽。這是巨大的礦物質的增加，或許最終能減少農民為確保最大產量而在田里大量施用磷酸鹽肥的需求。
人們希望，某一天真菌能成為“生物肥料”，從整個肥料行業(yè)的根基上，最終取代對磷酸鹽開采的需求。尋找磷酸鹽礦的取代物是關鍵問題，不僅僅在于該合成肥料是一種污染物——造成藻類的生長從而阻礙水資源供應，也是因為磷酸鹽礦現在正面臨枯竭的節(jié)點——它們被預計將在未來30~50年內耗盡。
“我們嘗試回答的最大問題是，是否能夠以及如何在現代農業(yè)高投入和集約化的條件下，利用這種生物肥料的菌根共生能力。如果要養(yǎng)活不斷增加的人口，我們需要磷酸鹽的替代物?！眲虼髮W植物科學系博士Uta Paszkowski說。
“大米、小麥和玉米等谷物是世界上最重要的農作物，每天喂養(yǎng)數十億計的人類。菌根菌與植物之間有共生關系，這種關系可以回溯到陸地上植物生命的早期，在植物根系‘創(chuàng)造’之前。我們對這種古老且普遍的共生關系進行了分析，發(fā)現可以用最好的根系和共生特性來繁殖作物——通過‘設計’使作物獲得高產出?！盤aszkowski說。
這項新研究在分子水平上對成年水稻植株根系系統(tǒng)的結構單元進行了測試，因水稻模型能用于一般的谷物。谷物根系的“建筑”涉及一些被稱為冠根的大的、粗短的根，它們就像腳手架一樣，那些更小的側根從這里延伸至含有各種營養(yǎng)的不同土壤層中。
研究人員發(fā)現，那些被菌根菌“殖民”了的植株有著不同的基因表達，使得冠根的細胞壁軟化，引發(fā)更多側根生長，從而吸收更多的營養(yǎng)，形成更高產的、更為健康的植株。除了通過菌絲提供磷酸鹽之外，這其實是作為額外的根系而存在的。作為回報，真菌從植株中獲取碳水化合物。
“植物的根系具有開拓最廣闊面積的土壤且從中吸收最豐富營養(yǎng)的能力，從而獲取更高的產量。通過找出基因的哪一部分負責植株根系，我們可以開始繁殖最好的根系‘建筑’?！盤aszkowski說，“給農作物‘設計’最好的根系意味著更高的產量，也意味著更多的人被養(yǎng)活。”
水稻在灌溉良好的田中生長最佳，但在世界上的許多地方并沒有這樣的好選擇，全球水稻種植區(qū)40%以上屬于“干旱”。然而，菌根關系創(chuàng)造的增產效果實際上在干旱的環(huán)境中表現最好。對亞洲以及撒哈拉以南非洲那些依賴水稻生產的貧窮地區(qū)，菌根菌能帶來巨大的好處。
對于研究者而言，要克服的主要障礙是植株的自我調節(jié)，即與傳統(tǒng)肥料相比，真菌無法在工業(yè)規(guī)模上進行試驗。
“植株檢測自己的營養(yǎng)狀況，如果一株植物有足夠的磷酸鹽攝入，它將不允許真菌再進入根系。在這個時刻，就是非此即彼的選擇。我們正在尋找辦法規(guī)避這種阻礙?！盤aszkowski說。
新近發(fā)表在《美國科學院院刊》（PNAS）上的研究發(fā)現，真菌與根系之間的互動改變了水稻的基因表達——觸發(fā)額外根系的生長并使水稻吸收更豐富的營養(yǎng)。
除了帶來額外根系的生長之外，在細胞層面上，細胞菌根菌也參與了根系生長。真菌長出了薄薄的卷須——菌絲，它們延展到植株周邊的土壤中并吸取營養(yǎng)，特別是磷酸鹽直接進入植物細胞的核心。
被真菌“殖民”了的植物通過菌絲直接獲得了70%~100%的磷酸鹽。這是巨大的礦物質的增加，或許最終能減少農民為確保最大產量而在田里大量施用磷酸鹽肥的需求。
人們希望，某一天真菌能成為“生物肥料”，從整個肥料行業(yè)的根基上，最終取代對磷酸鹽開采的需求。尋找磷酸鹽礦的取代物是關鍵問題，不僅僅在于該合成肥料是一種污染物——造成藻類的生長從而阻礙水資源供應，也是因為磷酸鹽礦現在正面臨枯竭的節(jié)點——它們被預計將在未來30~50年內耗盡。
“我們嘗試回答的最大問題是，是否能夠以及如何在現代農業(yè)高投入和集約化的條件下，利用這種生物肥料的菌根共生能力。如果要養(yǎng)活不斷增加的人口，我們需要磷酸鹽的替代物?！眲虼髮W植物科學系博士Uta Paszkowski說。
“大米、小麥和玉米等谷物是世界上最重要的農作物，每天喂養(yǎng)數十億計的人類。菌根菌與植物之間有共生關系，這種關系可以回溯到陸地上植物生命的早期，在植物根系‘創(chuàng)造’之前。我們對這種古老且普遍的共生關系進行了分析，發(fā)現可以用最好的根系和共生特性來繁殖作物——通過‘設計’使作物獲得高產出?！盤aszkowski說。
這項新研究在分子水平上對成年水稻植株根系系統(tǒng)的結構單元進行了測試，因水稻模型能用于一般的谷物。谷物根系的“建筑”涉及一些被稱為冠根的大的、粗短的根，它們就像腳手架一樣，那些更小的側根從這里延伸至含有各種營養(yǎng)的不同土壤層中。
研究人員發(fā)現，那些被菌根菌“殖民”了的植株有著不同的基因表達，使得冠根的細胞壁軟化，引發(fā)更多側根生長，從而吸收更多的營養(yǎng)，形成更高產的、更為健康的植株。除了通過菌絲提供磷酸鹽之外，這其實是作為額外的根系而存在的。作為回報，真菌從植株中獲取碳水化合物。
“植物的根系具有開拓最廣闊面積的土壤且從中吸收最豐富營養(yǎng)的能力，從而獲取更高的產量。通過找出基因的哪一部分負責植株根系，我們可以開始繁殖最好的根系‘建筑’?！盤aszkowski說，“給農作物‘設計’最好的根系意味著更高的產量，也意味著更多的人被養(yǎng)活。”
水稻在灌溉良好的田中生長最佳，但在世界上的許多地方并沒有這樣的好選擇，全球水稻種植區(qū)40%以上屬于“干旱”。然而，菌根關系創(chuàng)造的增產效果實際上在干旱的環(huán)境中表現最好。對亞洲以及撒哈拉以南非洲那些依賴水稻生產的貧窮地區(qū)，菌根菌能帶來巨大的好處。
對于研究者而言，要克服的主要障礙是植株的自我調節(jié)，即與傳統(tǒng)肥料相比，真菌無法在工業(yè)規(guī)模上進行試驗。
“植株檢測自己的營養(yǎng)狀況，如果一株植物有足夠的磷酸鹽攝入，它將不允許真菌再進入根系。在這個時刻，就是非此即彼的選擇。我們正在尋找辦法規(guī)避這種阻礙?！盤aszkowski說。
