连发 Cell, Nature 和 Science 等论文 , 这位研究员:推倒教科书里的“围墙”!

近几年,来自中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛课题组在植物根瘤共生和菌根共生领域取得三项可以写入教科书级的研究成果。特别是近 2 年,已经连续发表了 Cell、Nature、MP 和 PNAS 等高水平文章,具体如下。此外,王二涛研究员也是第二届 ” 科学探索奖 ” 的获得者,肯定他在植物 – 微生物共生营养交换和菌根共生信号受体发现方面的贡献。

1.2021 年 10 月 12 日,分子植物卓越中心王二涛研究团队在 Cell 上发表题为 “A phosphate starvation response-centered network regulates mycorrhizal symbiosis(磷信号中枢网络调控菌根共生)” 的封面论文。首次绘制了水稻 – 丛枝菌根共生的转录调控网络,发现植物直接磷营养吸收途径(根途径)和共生磷营养吸收途径(共生途径)均是受到植物的磷信号网络统一调控,回答了菌根共生领域 ” 自我调节 ” 这一困扰领域的重要科学问题。

连发 Cell, Nature 和 Science 等论文 , 这位研究员:推倒教科书里的“围墙”!

过去 50 多年的研究发现:植物根据自身的磷营养状态调控其与丛枝菌根真菌之间的共生,研究人员称为菌根共生的 ” 自我调节 “(”self-regulation” nature of mycorrhizal symbiosis),但其调节机制未知。

该研究以水稻中菌根共生相关基因的启动子为诱饵,进行水稻转录因子文库筛选,首次绘制了水稻 – 丛枝菌根共生的转录调控网络,并验证了多个调控丛枝菌根共生的转录因子。令人意外的是,磷响应转录因子 OsPHR1/2/3 处于菌根共生转录调控网络的核心位置。进一步研究发现,PHRs 通过结合 P1BS 顺式作用元件激活菌根共生相关基因的表达,正向调控丛枝菌根共生。Osphr1/2/3 三突变体中,菌根真菌不能有效定殖水稻根部皮层细胞,表明 PHRs 是菌根共生关键调控因子。

SPX 是磷的感受器,通过蛋白互作抑制 PHRs 结合到目的基因的启动子上,抑制低磷响应基因的表达。研究发现,水稻中的 SPX1 能够抑制 OsPHR2 激活菌根共生相关基因的表达。PHR 过量表达植株和 SPX 缺失突变体的菌根共生对高磷处理不敏感,表明高磷通过 PHR-SPX 模块抑制菌根共生。

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高磷通过 SPX-PHR 模块控制菌根共生

2.2021 年 4 月 15 日,国际著名学术期刊 PNAS 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组题为 “Discriminating symbiosis and immunity signals by receptor competition in rice” 的研究论文。该研究揭示了植物识别并区分共生真菌与病原真菌信号分子的机制,为全面理解植物与菌根真菌共生过程中的免疫抑制提供了崭新的视角。

3.2020 年 12 月 09 日,Molecular Plant 在线发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组及合作团队完成的题为 “Mycorrhizal Symbiosis Modulates the Rhizosphere Microbiota to Promote Rhizobia Legume Symbiosis” 的研究论文,该研究通过定量微生物组、微生物共发生网络及微生物群回接实验等揭示了丛枝菌根共生与根瘤共生系统在植物根际层面的互作机制。点击查看

4.2017 年 6 月 8 日,中科院植物生理生态研究所王二涛研究员课题组在Science 杂志上发表的题为 “Plants transfer lipids to sustain colonization by mutualistic mycorrhizal and parasitic fungi” 的论文,首次揭示了在丛枝菌根真菌与植物的共生过程中,脂肪酸是植物传递给菌根真菌的主要碳源形式,并发现脂肪酸作为碳源营养在植物 – 白粉病互作中起重要作用,推翻了百年来教科书中的 ” 糖 ” 理论。

连发 Cell, Nature 和 Science 等论文 , 这位研究员:推倒教科书里的“围墙”!

菌根共生是植物与菌根真菌建立的互惠互利的同盟,也是自然界最为广泛的共生形式。传统理论认为糖是植物为菌根真菌提供碳源营养的主要形式,然而多年来的研究人员一直没有找到相关的糖转运蛋白。在这项研究中,王二涛团队通过 C13 同位素标定实验,在实验体系中用 C13 同位素标同时标定甘油(代表脂肪酸)和葡萄糖,但是最终在丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal,AM)中主要检测到的是脂肪酸而不是糖,该结果从而首次否定了糖是植物传递给菌根真菌主要碳源形式。

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图一:脂肪酸是植物传递给菌根真菌的碳源

5.2020 年 12 月 10 日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队在Nature上发表论文 “An SHR-SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation“,研究揭示豆科植物皮层细胞获得 SHR-SCR 干细胞分子模块,使其有别于非豆科植物。这可能是豆科植物共生结瘤固氮的前提事件,回答了 ” 为什么豆科植物能结瘤固氮 ” 这一百年难题。该研究成果注定是要被写进教科书里的内容。

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SHR-SCR 是植物发育的干细胞程序关键模块,在植物干细胞区域和内皮层表达。该研究发现在豆科植物进化过程中,豆科植物干细胞关键基因 SCR 在皮层细胞表达,另一个干细胞关键转录因子 SHR 在维管束表达后移动到皮层细胞,这样豆科植物的皮层细胞获得了 SHR-SCR 干细胞分子模块。该干细胞分子模块赋予豆科植物皮层细胞分裂能力,使豆科植物的皮层与非豆科植物不同。同时,该干细胞分子模块能够被根瘤菌的信号激活,诱导豆科植物苜蓿的皮层分裂,形成根瘤。

根瘤菌(蓝色)

侵染根瘤器官

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豆科植物根瘤发育机制

当在豆科植物苜蓿根中过量表达 SHR-SCR 分子模块时,可以诱导皮层细胞分裂形成根瘤样结构。在非豆科植物拟南芥和水稻根中异位过量表达 SHR-SCR 分子模块同样可以诱导根皮层细胞分裂,因此 SHR-SCR 分子模块是植物皮层细胞分裂的充分必要条件,表明豆科植物的皮层细胞获得了 SHR-SCR 干细胞程序模块可能是豆科植物共生结瘤固氮的前提事件。

王二涛,生于 1979 年 9 月,系中科院上海植物生理生态研究所研究员,主要从事植物和微生物共生的分子机理研究。

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很多见过王二涛的人都说,他不像个学者。走路脚底 ” 带风 “,身穿蓝色 T 恤、脚踩沙滩鞋,眼前的王二涛的确有些 ” 随意 “。

这位中国科学院上海植物生理生态研究所研究员颠覆了记者对学者的印象,就像他颠覆了植物—真菌共生领域延续了百年的传统理论一样。

不久前,王二涛团队发现了脂肪酸是植物与菌根真菌共生体系中碳源的主要传递形式,推翻了百年来教科书中的 ” 糖 ” 理论。近日,这一成果被收录进《科学》杂志。

王二涛拿起一本有关植物共生的英文原版书,一下翻到标有共生体系营养传递图的那一页。他指着图说:” 很快,这里就会被改写!”

眼神坚定,一如几年前他的猜想被所有人轻视的那一刻。

跨过思维的高山

2010 年,王二涛正在英国做博士后。在克隆一些共生植物基因时,王二涛发现,有些问题根本无法用已有的 ” 糖 ” 理论解释。

菌根是自然界中普遍存在的一种共生现象,它是由土壤中的真菌与高等植物根系形成的一种共生体。

自然界中,80% — 90% 的植物都有菌根共生现象。1885 年,这种共生体被首次发现并命名为 ” 菌根 “。植物可通过与菌根真菌共生,从土壤中获得更多营养,同时把 20% 左右的光合作用产物传递给菌根真菌,供其生长。

有趣的是,尽管许多科学家一直没找到糖的转运蛋白,不知道糖究竟从何而来,却坚持认为:碳水化合物是植物为共生的菌根真菌提供碳源营养的主要形式。多年来,也很少有人提出质疑。

1999 年,有科学家通过碳标定实验得出 ” 糖可能是碳源营养的主要形式 ” 这一结论。虽然并不是直接的证据,但科学界对此深信不疑。

菌根真菌的脂肪酸主要由植物合成,一直以来,人们都认为脂肪酸只用来合成真菌的细胞膜。那么,营养源有可能是脂肪酸吗?当时,王二涛脑子里突然蹦出这个猜想。

颠覆,往往比创新更难

一个看似水到渠成的推测,却被传统理论的高墙阻隔。看似一步之遥,实则却要跨过思维的高山。

为了验证自己的猜想,王二涛开始主动探索。” 当时我的研究方向不是代谢,对这个领域并不熟悉。” 王二涛回忆说,为了了解脂肪酸的代谢机制,他花了大约半年时间查文献、找资料。同学、老师,不管逮着谁都要问一遍:” 这种想法有可能吗?” 然而,得到的积极回应寥寥,大多数人并不当回事儿。

一直到 2013 年,王二涛学成回国,组建了自己的研究组,终于有条件验证当年的猜想了。” 中国科研正处于发展黄金期,经费启动、团队配备都很快。” 他说。

王二涛像一把利刃,刺向传统理论的围墙。

从未想过轰轰烈烈

说到和生物的缘分,王二涛直言,自己和生物算不上有什么 ” 不解之缘 “。大学选择生物专业并非出于自愿,而是 ” 调剂过来的 “。” 非要说有的话,我是农村出身,见惯了玉米、大豆等庄稼,觉得很亲切。”

从读研开始,王二涛的研究领域一直没怎么变。” 当初选择研究植物,主要是因为做动物实验我有点下不了手。” 听着像在开玩笑,王二涛却一本正经,眼神干净得像个孩子。

王二涛的名片上,除了博士和研究员,再没有其他头衔。” 我没什么野心,更没想过要做什么轰轰烈烈的大事。” 王二涛淡淡地说。

正是抱着这样的心态,4 年来,王二涛团队通过稳定同位素标定实验,发现植物的脂肪酸合成对菌根真菌共生的必要性,而且有一类特殊的脂肪酸分子通过植物的转运蛋白,能直接传递给菌根真菌。该研究系统地揭示了脂肪酸是光合作用碳源的主要传递形式,首次推翻了百年来被写进教科书的传统认识。

不久前,这一发现被刊发在《科学》杂志上。王二涛难掩激动,这是他从业以来,论文从投稿到被接受最快的一次,前后只用了 2 个多月。

除了改写教科书的理论,研究还发现,脂肪酸对预防植物的白粉病有重要作用。

抛却功利,摒除一切杂念,以赤子之心拥抱科研。在王二涛的眼里,科研生活像是一碗水,虽略显乏味,却简单纯粹,喝多了也会觉得甘甜。

这或许是做研究最好的状态。

学术理念一脉相承

2003 年大学毕业后,王二涛被推免到中科院上海生命科学研究院读。作为王二涛的导师,何祖华当时博士毕业没几年,来研究所时间不长。

” 在研究所那些年,何老师为我奠定了很好的基础。” 在这里,他感受到开放而自由的氛围,这些在王二涛看来是老师给予学生最宝贵的东西。” 有了好想法,何老师就会鼓励我们去做。” 王二涛说。

何祖华的研究方向是植物抗病信号转导,但当时王二涛对水稻驯化更感兴趣,而且当时研究的人不多,于是何祖华鼓励他说:” 大胆去做吧!”

十年一轮回。2013 年,王二涛又回到了研究所,自己也带起了研究生。王二涛说,除了搞科研,实验室还要培养优秀的青年科学家。如今,王二涛也像当年导师一样,给学生创造自由的学术氛围。

” 等我到了何老师这个年纪,要是没能培养出几个教授、研究员,那就太失败了。” 王二涛顿了一下,眼神坚定地说:” 得把这种学术理念传承下去。”

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王二涛博士简介:

中科院分子植物科学卓越创新中心研究员,国家基金委 ” 杰出青年基金 ” 获得者。主要从事豆科植物 – 根瘤共生固氮及植物 – 丛枝菌根真菌共生方面的研究。建立以脂肪酸为核心的植物 – 丛枝菌根真菌共生营养交换与调控的理论模型;发现菌根因子受体及受体复合,并解析了菌根因子信号转导途径等。研究成果发表在 Cell, Science, Nature, Molecular Plant, The Plant Cell, Cell Research 等国际主流学术期刊上,对植物 – 微生物共生领域有重要影响。获 2014 年 ” 国家自然科学奖二等奖 “, 2018 年 ” 中国青年科技奖 “, 2019 年 “CSPB 杰出青年科学家奖 ” 和 2020 年 ” 科学探索奖 “。

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