Current Biology | 内共生系统介导的陆生植物钙信号通路的分子进化
真菌与植物建立联系后，增强矿物质营养元素的获取能力是陆地植物的特征。丛枝菌根是植物最普遍的菌根共生类别，证据表明丛枝菌根（AM）与陆地植物的共生是植物在陆地环境适应过程的重要前提。开花植物根部的核钙信号传导激活对丛枝菌根至关重要，鉴于最早的陆地植物缺乏根，但是非开花植物中的丛枝菌根是否需要核钙信号尚不清楚。对于以粗裂地钱属地钱（M. papacea）和豆科植物苜蓿（M. truncatula）的直接共生诱导核钙信号功能的研究。在丛枝菌根穿透假根并在菌体中形成丛枝，证明丛枝菌根萌发孢子时渗出物GSE激活古斑霉假根中的核钙信号，并且激活依赖核定位离子通道。并且进一步证明地钱的DOES NOT MAKE INFECTION 1（DM1）的调节机制在M. papacea和M. truncatula之间存在差异。
图片概要：M. papacea和M. truncatula核钙信号的传导。
核钙信号的震动变化对于开花植物的根内部共生至关重要。由固氮根瘤菌或丛枝菌根真菌的扩散分子的感知引发根表皮细胞核钙信号的震荡，对植物细胞引导和根部定殖至关重要。我们表达含有钙报告基因Yellow Cameleon 3.6（YC3.6）的古斑古菌，并且该报告基因融合了核定位信号（NLS），采用地钱延伸因子1α (EF1α)启动子驱动。不规则根噬菌萌发孢子分泌物GSE作用到M. papacea假根中诱导核钙信号的震荡。观察到的核钙信号震荡频率约每10分钟4.3±1.5个峰，并且与苜蓿根部的GSE诱导的核钙信号震荡频率相似。
图1 不规则的根菌萌发孢子的分泌物GSE诱导古斑古菌假根核钙震荡:
A、 表达核定位钙报告基因NLS:YC3.6的M. papacea假根
B、 在地钱启动EF1α下表达核定位钙报告基因NLS:YC3.6的古钱草假根中的发芽孢子分泌物 (GSE) 的代表性钙震荡轨迹。
在M. truncatula中核钙信号震荡是由核定位离子通道复合体产生的，该通道由DM1和环状核甘酸门控通道15a/b/c（CNGC15a/b/c）组成。在M. truncatula中DMI1的去除可以消除共生因子诱导的核钙振荡以及丛枝菌根和根瘤共生作用。在M. papacea中，DM1的启动子7日龄和16日龄植物的假根和菌体中脉中均具有活性。在表达pMpaDMI1的M. papacea中的共聚焦激光扫描显微镜：MpaDMI1与绿色荧光蛋白( GFP )融合表明Mpa DMI1 定位于M. papeaea细胞的核膜上。为了确定核定位的Mpa DMI1是否是GSE诱导的假根中核钙振荡所必需，因此使用CRISPR-Cas9基因编辑对M. papacea敲除突变，导致M. papacea DMI1的N末端过早终止。结果表明M. papacea DM1的突变体中的核钙震荡信号消除，核定位的M. papacea DM1是GSE诱导的核钙信号震荡产生所需的。这些数据表明 DMI1 依赖性核钙振荡是陆地植物的祖先，并且其响应 GSE 的激活在陆地植物中是保守的。
图2 M. papacea DMI1对于M. papacea菌体的丛枝菌根定殖是必须的，但是对假根定殖是不需要
A、 pMpadDMI1 :: MpadDMI1:GFP 的古斑古菌假根和菌体细胞的共焦激光扫描显微镜图像。图片显示绿色荧光蛋白 (GFP)、质体自发荧光 (RED) 以及明场 (BF) 的合并图像。
B、 Cas9敲除定Mpapacea DM1突变假根的代表性。不规则根菌发芽孢子分泌物 (GSE) 诱导的M. papelea WT 中的钙振荡，表达核定位 NLS：YC3.6。
C、 野生型 (WT)和MpaDMI1敲除突变体等位基因MpaDMI1-1和MpaDMI1-2的M. papiacea菌体横截面图片，在接种不规则根菌8 周后的样品。
D、表示接种不规则根菌8 周后， Mpad不规则菌伸长因子 1α ( RiEF1α ) 和M. papea 发育不良丛枝根菌( MpaSTR )的转录物积累。
E、 用pMpaDMI1:MpaDMI1:GFP的野生型 (WT)、MpaDMI1-2和MpaDMI1突变体。
F、 接种后 8 周后的Mpadmi1突变体的M. Paleacea假根。
G、 在接种不规则根菌GSE 6 小时后来自古斑古菌的类胡萝卜素裂解双加氧酶 7 ( CCD7 )的转录物积累。
核钙信号传导是常见内共生途径的核心。在开花植物中核钙振荡激活了丛枝菌根（AM） 内共生细胞程序使AM菌丝能够穿过根部表皮细胞到达皮层细胞，在皮层细胞中形成丛枝进行营养物质的交换。AM 定殖于M. papeaea假根和菌体是否需要Mpa DMI1 依赖性核钙振荡，我们研究了AM在Mpadmi1突变体的定殖。不规则根菌定植8周后， M. papacea 的 WT 菌体完全被根内菌丝 (IRH)、丛枝和囊泡定殖，而在Mpa DM1突变体中没有观察到菌体的 AM定植现象。表明了Mpa DMI1是菌体AM定殖所需的，但对于假根的定殖是不必须的。
DMI1依赖性核钙信号传导在陆地植物中是保守的，Mpadmi1突变体中M. truncatula DMI1的再表达恢复了M. papeaea的菌体的AM定植缺陷。证明了Mt DMI1和Mpa DMI1 的功能作用类似。
为了进一步证明DMI1在M. truncatula的功能和保守型，对M. truncatula DMI1突变体根中表达了Mpapeaea DMI1来探究AM和根瘤共生作用。接种苜蓿中华根瘤菌33 天和接种丛枝菌根（AM）8周后，Mpa DMI1无法弥补MtDMI1突变体在根部结瘤和 AM方面的缺陷。M. truncatula的根部大部分没有定殖，根部只有少数根瘤生成和含有少量丛枝菌根。表明DMI1的门控作用在地钱和开花植物之间存在差异的。对Mpa DMI1 和Mt DMI1 第三个跨膜结构域到C端区域具有高度的氨基酸序列相似性，但在第一个跨膜结构域之前的N端区域没有相似性。
图3 Mpa DMI1和Mt DMI1的激活在M. papacea和M. truncatula的比较
A、 在组成型启动子莲花泛素( LjUBI ) 下表达空载体 (EV)、Mt DMI1、Mpa DMI1、MtMp DMI1或MpMt DMI1的Mt DMI1-1突变体根的结瘤统计。
B、 在表达Mpa DMI1并接种到苜蓿中华根瘤菌2011:: LacZ的Mt DMI1-1根上形成的感染丝和感染根瘤现象。
C、 在表达空载体 (EV)、Mt DMI1、Mpa DMI1、MtMp DMI1或MpMt DMI1驱动的Mt DMI1-1突变体中形成的丛枝菌根结构的百分比。
D、Mt DMI1、Mpa DMI1和嵌合构建体MtMp DMI1 和 MpMt DMI1的氨基酸序列结构图。
E、 表达Mt DMI1、Mpa DMI1的野生型蒺藜根细胞核的共聚焦激光扫描显。
研究表明AM诱导的核钙振荡在陆地植物中是保守的。在非维管植物中，共生诱导的核钙振荡的产生也需要DMI1，说明DMI1是常见内共生信号通路的核心成分之一。然而，DMI1 依赖的核钙振荡仅是M. papacea菌体的AM定植所必需的，而对假根感染不是所必需的。在开花植物中，AM渗透表皮根细胞需要核钙信号传导。
文章链接：
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(24)00403-2#
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