陆生植物和丛枝菌根真菌一种古老而广泛的营养共生关系

　　陆生植物和丛枝菌根 (AM) 真菌形成了一种古老而广泛的营养共生关系。植物真菌在根际相互识别后通常是菌丝进入植物根部，随后在胞内丛枝中促进营养物质的双向交换。根皮层细胞质膜延伸包围丛枝形成的丛枝周膜（PAM），为植物与真菌交流创造了一个潜在的枢纽。类受体激酶(Receptor-like kinase, RLKs)是细胞信号转导的重要组成部分。类受体激酶ARK1在水稻和紫花苜蓿中是维持AM共生所必需的，并且在具有AM活性植物的基因组中进化保守.水稻OsARK1是一种PAM RLK，它可以在微生物发育后阶段调节真菌的适应性。

　　近日，PNAS杂志在线发表了英国剑桥大学植物科学系作物科学中心Uta Paszkowski团队题为“A mycorrhiza-associated receptor-like kinase with an ancient origin in the green lineage”的研究论文, 他们对类受体激酶ARK2在菌根共生关系中扮演的角色进行了研究。

　　水稻ARBUSCULAR RECEPTOR-LIKE KINASE 1 (OsARK1)调控植物丛枝菌根(AM)的发育，属于RLKs的一个未定义的亚族，未知受体激酶2 (URK-2)亚家族。为了追溯URK-2亚家族的进化历史，他们使用公开的基因组和转录组数据进行了系统发育分析。结果表明，在非种子陆地植物中，URK-2亚家族由两个成员组成:ARK和SPARK1。在种子植物中，一个古老的ARK谱系复制产生了旁系同源物，ARK1和ARK2。与其他单子叶植物一样，水稻的URK -2亚科由三个成员组成。两个旁系同源物 OsARK1 和 OsARK2，以及OsSPARK1。预测显示OsARK1缺乏细胞外域 (ED)，而 OsARK2 也缺乏预测的信号肽，然而，据预测 OsSPARK1 具有 250 个氨基酸长的 ED。他们在URK-2亚家族成员中调查了这种ED的发生情况，发现它在单子叶植物的 ARK1 和 ARK2 中独立丢失。这表明，尽管ARK1和ARK2发生在气管植物进化早期分歧的旁系同源基因谱系中，但它们在单子叶植物中遵循共同的进化轨迹。这促使他们从功能上描述OsARK2。

　　水稻中的单ark2和ark1/ark2双突变体对OsARK2具有非冗余AM共生功能。他们通过时程基因表达分析，确认了在AM条件下OsARK2可以被诱导，但与OsARK1相比，在未接种的植物中也检测到低转录水平的OsARK2。他们获得了一个ark2突变等位基因，该突变基因在激酶结构域催化环编码区插入了一个Tos17逆转录转座子元件。通过RT-PCR证实了OsARK2转录本的中断。该ark2突变体与ark1等位基因杂交，产生了ark1/ark2双敲除(dKO)系。时程实验表明，ark2突变体显著减少AM定植表型； 然而，丛枝和囊泡比 ark1 中更丰富。ark1和ark2的表型都是可塑的，因为应用更多的孢子接种量导致野生型(WT)的枝菌体丰度水平和突变基因型的囊泡减少。这些观察表明OsARK1和OsARK2对AM共生的非冗余和非协同调控。

　　ARK谱系蛋白在其胞外区域有一个新发现的SPARK结构域，在单子叶中，该结构域在ARK1和ARK2中平行丢失。该蛋白质结构域在链霉菌藻类中具有古老的起源，并定义了其他被忽视的细胞表面受体群。单子叶植物中的 ARK1 和 ARK2 的特征是丢失了一个原本保守的 ED。该 ED 尚未定义并且与已知域没有同源性。本研究中鉴定的所有 URK-2 直向同源物的 ED 比对表明它们具有高度保守的 12 个半胱氨酸残基的特征排列。这个新描述的域被命名为 SPARK。因此，URK-2 RLK亚家族被重新命名为SPARK-I。他们在水稻中总共鉴定了 11 个含有 SPARK 结构域的蛋白质。

　　他们将 OsARK2 定义为在 AM 共生中起作用的 RLK。虽然之前的大规模系统基因组学研究表明两种 RLK 与 AM 共生之间存在严格关联，但他们在可用的三个兰花基因组中检测到 ARK2 但未检测到 ARK1，并且在兰花菌根共生过程中诱导了 ARK2。这可能反映了与 ARK1 相比，ARK2在植物-真菌共生中发挥更广泛的作用。对转录组学中发现的两个RLKs调控的基因组进行功能表征，是解决差异作用的一种途径。此外，SPARK结构域的发现为揭示绿色谱系中原始的未知信号通路提供了基础，并为其在共生RLKs中特定发生模式的功能和生物学背景进行了进一步的研究。

　　URK-2 RLK亚家族系统发育树

　　预测的水稻SPARK -i亚家族成员