12年揭秘植物“门卫”，上海科学家新发现再登《细胞》

扎根大地、无法自由行动的植物是如何从土壤中数以亿计的微生物中，识别出哪些是对自己有益的共生“好友”、哪些是致病“敌人”的？中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员团队历经12年研究，终于为解开这个曾困扰了全球植物学界几十年的问题，找到了一些眉目。

1月24日凌晨，国际顶尖学术期刊《细胞》在线发表了这一开创新成果。对这一机制善加利用，不仅可提升作物产量，还可减少化肥施用。

12年深耕揭秘植物细胞“门卫室”

在土壤贫瘠时，豆科植物会与根瘤菌共生，让其帮忙从空气中固氮，为自己制造氮肥大餐。可是，土壤中的微生物种类繁多、数量庞大，在指甲盖大的一块土壤中生存着多达10亿个微生物，那么植物是如何决定何时寻找“盟友”，又如何防止“敌人”趁机作乱？

2013年从英国约翰·英纳斯研究中心回国，王二涛就投入到这个方向的研究中。为什么对这个问题如此上心？如果病原菌不能被正常识别，就可能对作物造成巨大危害。他提到，1845年到1850年，一种卵菌导致爱尔兰爆发马铃薯晚疫病，引发的饥荒致了上百万人死亡。

20年前，日本植物学家发现植物会释放一类名为独脚金内酯的化学分子，用来招募共生菌“盟友”，但独脚金内酯是否也激活病原菌？以及植物如何识别“敌友”仍然未知。

王二涛介绍，几乎所有植物细胞中都有很多个LysM类受体激酶，它们如同门卫一样，在细胞膜上“站岗”，负责检查闻风而来的各种微生物。“由于高等植物里的‘门卫’太多，关系错综复杂，长期以来难以入手研究。”他非常幸运地找到了一种早期陆生植物粗裂地钱，它的“门卫处”只有一对LysM受体激酶。

查验“身份证”，遇病原菌就拉警报

这是一套非常精妙的识别机制。通过研究，王二涛团队发现，粗裂地钱LysM类受体激酶中的MpaLYR负责识别微生物来源的信号分子，好像门卫查验来访者的身份证。

论文第一作者、分子植物卓越中心博士生谭新行介绍，共生微生物的“身份证”是短链几丁质壳聚糖CO4/5，而病原微生物的则是长链几丁质壳聚糖CO7/8。当MpaLYR拿到“身份证”后，就会与MpaCERK1结合成一把“钥匙”，收到CO4/5的“身份证”就激发细胞的共生反应，收到CO7/8的“身份证”就立刻启动免疫反应，让细胞启动免疫反应来赶走“敌人”。

更有趣的是，研究还发现，植物在缺乏磷的营养条件下，会释放更多的独脚金内酯。正是这种激素，刺激菌根真菌分泌出用于身份识别的短链几丁质壳聚糖CO4/5。“这相当于先给‘盟友’发了通行证，再由门卫查验放行。”王二涛说，随着植物进化，这套“门卫系统”变得越来越复杂，未来他们还将继续深入研究更复杂的机制，“这打开了研究植物共生-免疫的新领域”。

作物少施肥或许一样长得壮

发现了这套“门卫系统”有何用处？王二涛认为，它揭示植物在早期登陆的过程中如何通过LysM受体的功能优化来与菌根真菌建立高效的共生关系的。“它们以此促进自身对水分和营养物质的吸收，同时高效抵御病原微生物的侵袭，为植物早期适应干旱、贫瘠且充满病原微生物挑战的陆地环境奠定了基础。”

同时，这项研究也为农业生产提供了重要启示：可以通过增强植物与菌根真菌的相互作用，来提高作物养分利用效率，在低肥力土壤条件下表现尤为突出。“利用菌根共生，我们还可以构建低投入、高产出的生态农业体系。”王二涛说。