陸生植物和叢枝菌根真菌一種古老而廣泛的營養共生關系

　　陸生植物和叢枝菌根 (AM) 真菌形成了一種古老而廣泛的營養共生關系。植物真菌在根際相互識別后通常是菌絲進入植物根部，隨后在胞內叢枝中促進營養物質的雙向交換。根皮層細胞質膜延伸包圍叢枝形成的叢枝周膜（PAM），為植物與真菌交流創造了一個潛在的樞紐。類受體激酶(Receptor-like kinase, RLKs)是細胞信號轉導的重要組成部分。類受體激酶ARK1在水稻和紫花苜蓿中是維持AM共生所必需的，并且在具有AM活性植物的基因組中進化保守.水稻OsARK1是一種PAM RLK，它可以在微生物發育后階段調節真菌的適應性。

　　近日，PNAS雜志在線發表了英國劍橋大學植物科學系作物科學中心Uta Paszkowski團隊題為“A mycorrhiza-associated receptor-like kinase with an ancient origin in the green lineage”的研究論文, 他們對類受體激酶ARK2在菌根共生關系中扮演的角色進行了研究。

　　水稻ARBUSCULAR RECEPTOR-LIKE KINASE 1 (OsARK1)調控植物叢枝菌根(AM)的發育，屬于RLKs的一個未定義的亞族，未知受體激酶2 (URK-2)亞家族。為了追溯URK-2亞家族的進化歷史，他們使用公開的基因組和轉錄組數據進行了系統發育分析。結果表明，在非種子陸地植物中，URK-2亞家族由兩個成員組成:ARK和SPARK1。在種子植物中，一個古老的ARK譜系復制產生了旁系同源物，ARK1和ARK2。與其他單子葉植物一樣，水稻的URK -2亞科由三個成員組成。兩個旁系同源物 OsARK1 和 OsARK2，以及OsSPARK1。預測顯示OsARK1缺乏細胞外域 (ED)，而 OsARK2 也缺乏預測的信號肽，然而，據預測 OsSPARK1 具有 250 個氨基酸長的 ED。他們在URK-2亞家族成員中調查了這種ED的發生情況，發現它在單子葉植物的 ARK1 和 ARK2 中獨立丟失。這表明，盡管ARK1和ARK2發生在氣管植物進化早期分歧的旁系同源基因譜系中，但它們在單子葉植物中遵循共同的進化軌跡。這促使他們從功能上描述OsARK2。

　　水稻中的單ark2和ark1/ark2雙突變體對OsARK2具有非冗余AM共生功能。他們通過時程基因表達分析，確認了在AM條件下OsARK2可以被誘導，但與OsARK1相比，在未接種的植物中也檢測到低轉錄水平的OsARK2。他們獲得了一個ark2突變等位基因，該突變基因在激酶結構域催化環編碼區插入了一個Tos17逆轉錄轉座子元件。通過RT-PCR證實了OsARK2轉錄本的中斷。該ark2突變體與ark1等位基因雜交，產生了ark1/ark2雙敲除(dKO)系。時程實驗表明，ark2突變體顯著減少AM定植表型； 然而，叢枝和囊泡比 ark1 中更豐富。ark1和ark2的表型都是可塑的，因為應用更多的孢子接種量導致野生型(WT)的枝菌體豐度水平和突變基因型的囊泡減少。這些觀察表明OsARK1和OsARK2對AM共生的非冗余和非協同調控。

　　ARK譜系蛋白在其胞外區域有一個新發現的SPARK結構域，在單子葉中，該結構域在ARK1和ARK2中平行丟失。該蛋白質結構域在鏈霉菌藻類中具有古老的起源，并定義了其他被忽視的細胞表面受體群。單子葉植物中的 ARK1 和 ARK2 的特征是丟失了一個原本保守的 ED。該 ED 尚未定義并且與已知域沒有同源性。本研究中鑒定的所有 URK-2 直向同源物的 ED 比對表明它們具有高度保守的 12 個半胱氨酸殘基的特征排列。這個新描述的域被命名為 SPARK。因此，URK-2 RLK亞家族被重新命名為SPARK-I。他們在水稻中總共鑒定了 11 個含有 SPARK 結構域的蛋白質。

　　他們將 OsARK2 定義為在 AM 共生中起作用的 RLK。雖然之前的大規模系統基因組學研究表明兩種 RLK 與 AM 共生之間存在嚴格關聯，但他們在可用的三個蘭花基因組中檢測到 ARK2 但未檢測到 ARK1，并且在蘭花菌根共生過程中誘導了 ARK2。這可能反映了與 ARK1 相比，ARK2在植物-真菌共生中發揮更廣泛的作用。對轉錄組學中發現的兩個RLKs調控的基因組進行功能表征，是解決差異作用的一種途徑。此外，SPARK結構域的發現為揭示綠色譜系中原始的未知信號通路提供了基礎，并為其在共生RLKs中特定發生模式的功能和生物學背景進行了進一步的研究。

　　URK-2 RLK亞家族系統發育樹

　　預測的水稻SPARK -i亞家族成員