植物，真菌和细菌之间的过渡王国

来自康奈尔大学整合植物科学学院的Teresa Pawlowska教授和她的团队对最近发现的支原体相关内细菌(MRE)的进化基因组学进行了深入研究。他们目前正在研究这些内生细菌、丛枝菌根真菌(AMF)和它们的宿主陆生植物之间复杂的相互关系。这是我们这个星球上最古老的共生例子之一，充分理解对我们支持全球自然和农业生态系统至关重要。

每个生物体都在生命之网中相连。复杂而动态的相互作用可以跨越不同的物种、家族、王国和生命领域。这启发了Pawlowska教授和她的团队，他们开始研究自然界中最常见的关系之一——陆生植物和菌根真菌之间的关系。这就是所谓的共生关系，即两个(或多个)生物体之间存在一种联系。相互作用的范围从拮抗到有益的一个或两个物种所涉。共生关系是独特的，对于维持世界各地生态系统的微妙平衡至关重要。

丛枝菌根真菌（AMF）和植物
令人难以置信的是，大多数被研究的植物科都与它们的菌根真菌有着有益的联系，有时它们完全依赖于真菌。80%的维管植物科，包括农作物，与丛枝菌根真菌(AMF)有一种互利共生关系(被认为起源于大约4 - 4.6亿年前)，丛枝菌根真菌是肾小球菌科的一部分。这个重要的合作伙伴扮演着天然生物肥料的角色，从土壤中获取必要的养分，如磷和氮，并将它们转移到植物宿主身上。AMF定植于植物根部，利用被称为丛枝的特殊结构穿透根部皮层细胞。这种物理连接允许营养物质从AMF进入植物。作为回报，AMF接收到植物大约20%的光合碳。

值得注意的是，研究表明，AMF与支原体相关的肢体（部分细菌的一部分）具有额外的共生关系，其存在于AMF细胞的细胞质中。我们对MRE的生物学和生命周期的知识相对有限。为了解决这种缺乏理解，Pawlowska教授和她的团队进行了一系列深入的研究，重点是这些肢体的进化和遗传构成。由于有人提出，AMF可能是有效的化学肥料的有效替代品，了解MRE对AMF功能的影响，以及随后对宿主工厂的后果至关重要。

该项目由国家科学基金会和国家粮食和农业研究所主办，涉及来自康奈尔大学，西弗吉尼亚大学和都灵大学的科学家，为本科，毕业生和博士后学生提供培训机会。在整个研究中指导灵感和从事学生，并为他们提供了微生物学，分子遗传学和生物信息学领域的研究经验。

共生关系是独一无二的，对于在世界各地的生态系统中保持微妙的平衡方面是至关重要的

endosymbionts取决于真菌宿主
Pawlowska教授进行了一项宏基因组研究，通过分析不同的MRE群体，与三种不同的AMF物种相关。宏基因组学是对从环境样本中获得的遗传物质的研究。这使得研究人员可以检查自然种群和群落中复杂的基因组成和多样性。

结果表明，MRE基因组大大减少，其基因组容量最小，仅限于最基本的细胞功能。这是寄生在宿主AMF细胞细胞质中的结果。细胞内环境相对安全，富含氨基酸、核酸等代谢物。因此，同样编码这些产物的内源性基因基本上变得不必要，MRE变得完全依赖AMF。

垂直传输
一些内共生体，包括MRE，在宿主世代间垂直传播。这意味着当AMF无性繁殖时(后代包含与父母完全相同的基因，是有效的克隆)，只有一些内细菌被下一代继承。因此，内细菌种群规模的减少可能会限制遗传多样性，这意味着有害的突变可能会在种群中变得更频繁，可能导致灭绝。

然而，Pawlowska教授和她的团队表明，在三个研究的MRE群体中，每个群体的遗传多样性都异常高，使不同的群体能够适应特定的宿主条件。通常，互惠或有益细菌的特点是遗传相似性，而寄生细菌有更大程度的多样性，使它们能够适应潜在的宿主抗性。因此，这些结果表明MRE可能是寄生的。

为什么MRE在基因上如此多样化?
在可遗传的内共生体(包括MRE)中，有益和有害突变的快速积累是常见的。这是由于DNA聚合酶失去了“校对”能力，无法利用其外切酶活性去除错误引入的碱基，并用正确的碱基替代它们。然而，研究小组表明，MRE使用重组来克服退化进化的风险，并恢复高适合度MRE基因型。事实上，重组率高于突变率，这使得MRE成为地球上进化最快的细菌之一。重组是通过在不同生物体之间交换基因而重新排列遗传物质的过程。这种“修复”基因不仅可以复制携带有害突变的基因，还可以增强基因多样性。

对这些产品的细菌基因（必需代谢物），变得不必要，而MRE完全依赖于AMF

结果还表明，5％的MRE基因组包括移动遗传元素（MGE）。这些是DNA序列，编码能够在基因组内和之间移动DNA的酶。最终升降机可以引入新的基因，或破坏现有的基因。MGE和扩增在单个染色体上的序列的运动增加，可获得可用重组位点的数量，从而进一步促进遗传多样性。

此外，该团队还发现，MRE基因组的很大一部分编码的蛋白质主要用于与AMF相互作用，例如，SUMO蛋白酶，它控制着宿主蛋白质的翻译后修饰。这为基因水平转移提供了证据;遗传物质在不同物种或种群之间进行交换。事实上，在三个不同的MRE群体中，来自AMF的基因占总编码DNA序列的3-5%。

一个新物种?
总体而言，Pawlowska教授和她的同事进行的研究表明，由于遗传重组和水平基因转移，MRE在高水平的遗传多样性方面是真正独一无二的。事实上，为了承认自己的独特生物学，该团队已经制定了一个分类的提案，以适应新的物种“Candidatus Moeniiplasma肾小球菌”的MRE。

该团队还发现，在单个AMF主机内，Camg可以与另一个骨杆菌（Candidatus Blomeribacter Gigasporarum'（CAGG）共存。这是第一项研究，以突出单个真菌宿主内突出两种内酯的共存。CAGG完全依赖于真菌宿主，并返回，突出宿主能量代谢。与MRE不同，CAGG种群具有更低水平的遗传多样性，这表明这两种内酯可以具有明显不同的生活方式。有趣的是，在所有样品中，MRE比CAGG更丰富，进一步支持他们的生物学之间的差异。此外，结果表明，ideosymbionts均保留其遗传和生活方式特征，无论它们是单独的真菌宿主还是一起存在。

然而，仍然需要更多的研究来充分了解MRE，AMF和宿主工厂之间的复杂关系。是他们的真菌主持人的朋友或敌人吗？而且，如果效果是敌对的，这将如何影响植物的生命？

理解这种复杂的关系对农业的未来至关重要。土壤耕作破坏了脆弱的菌根网络，需要增加化肥如磷酸盐的使用。然而，研究人员预测，世界上的磷酸盐供应将在未来100年内耗尽。作为一种天然的生物肥料，AMF可能是答案。然而，在这成为一个可行的选择之前，我们需要大大提高可持续农业实践的普及程度。