天麻（Gastrodia elata）作為一種名貴中藥材，最早記載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，列為上品。天麻的人工栽培一度被認(rèn)為是世界性難題。上世紀(jì)60年代，我國(guó)科學(xué)家徐錦堂先生利用蜜環(huán)菌首次伴栽天麻成功，結(jié)束了天麻不能人工栽培的歷史。為此，陜西藥農(nóng)自發(fā)集資為徐錦堂先生雕塑，贊譽(yù)他為“天麻之父”。半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，天麻的生產(chǎn)正面臨著品種改良、技術(shù)更新、品質(zhì)提升等一系列新問(wèn)題，迫切需要從生物學(xué)角度深入了解天麻與蜜環(huán)菌共生關(guān)系及其形成機(jī)制。

　　2018年4月24日，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心袁媛、黃璐琦團(tuán)隊(duì)與相關(guān)單位共同合作在Nature Communication雜志上在線發(fā)表了題為“The Gastrodia elata genome provides insights into plant adaptation to heterotrophy”的研究論文，該論文以天麻為研究對(duì)象，繪制了第一個(gè)完全依賴于菌根異養(yǎng)植物的高質(zhì)量基因組圖譜。

　　植物和真菌（菌根）之間的共生關(guān)系始于4.5億年前，共生植物可以從菌根中獲得碳和其他營(yíng)養(yǎng)。99%以上的蘭科植物都部分依賴于共生菌根，還有一類蘭科植物的整個(gè)生命周期都需要完全依賴于菌根的營(yíng)養(yǎng)。天麻是一種完全異養(yǎng)的蘭科植物，在它的生命周期中與至少兩種類型的真菌有關(guān)：種子萌發(fā)靠紫萁小菇供給營(yíng)養(yǎng)，形成原球莖后靠蜜環(huán)菌才能正常生長(zhǎng)。在栽培過(guò)程中，天麻大部分時(shí)間以塊莖的形式在地下生活，且花莖上的葉片和苞片高度退化，這些特征與其完全異養(yǎng)的生活方式有關(guān)。論文提供了天麻高質(zhì)量的參考基因組，并用來(lái)揭示其完全異養(yǎng)生活方式的分子基礎(chǔ)，對(duì)了解植物與真菌互作具有重要意義，將有助于中藥材天麻產(chǎn)量和質(zhì)量的提升以及促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　使用WGS對(duì)天麻基因組進(jìn)行測(cè)序，通過(guò)K-mer分析預(yù)估基因組大小為1.18 Gb。編碼18,969個(gè)基因，理論上是迄今為止發(fā)現(xiàn)的被子植物基因數(shù)量最少的基因組。與鐵皮石斛、小蘭嶼蝴蝶蘭相比，天麻經(jīng)歷了廣泛的基因缺失，即使那些在其他植物物種中保守的基因也經(jīng)歷了大量的缺失事件，可能是其適應(yīng)完全異養(yǎng)生活方式的結(jié)果。天麻中的3,586個(gè)基因家族發(fā)生了收縮，且丟失了2961個(gè)基因。由于不需要進(jìn)行光合作用，天麻的質(zhì)體基因組收縮為35,326 bp并發(fā)生明顯重組，且只保留了12個(gè)編碼光合復(fù)合體蛋白（NEP）的基因。

　　盡管天麻基因組經(jīng)歷了廣泛的基因丟失，但發(fā)現(xiàn)了430個(gè)基因家族在天麻中擴(kuò)張，推測(cè)這些擴(kuò)張的基因與天麻完全異養(yǎng)生活方式有關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)測(cè)序并組裝線粒體基因組來(lái)驗(yàn)證這個(gè)想法。結(jié)果表明，與大多數(shù)其他種子植物相比，天麻的線粒體基因組的大小顯著擴(kuò)大為1339kb。同時(shí)發(fā)現(xiàn)天麻中單子葉甘露糖結(jié)合凝集素抗真菌蛋白（GAFP）基因的數(shù)量增加，GAFP蛋白可以抑制子囊菌和擔(dān)子菌的生長(zhǎng)。在天麻與蜜環(huán)菌建立了穩(wěn)定的共生關(guān)系之前，超過(guò)80％的GAFP基因在原球莖和米麻中高度表達(dá)。通過(guò)結(jié)合16S核糖體和rDNA ITS序列分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和真菌的多樣性在原球莖階段顯著較低（P<0.05），這與GAFP的基因表達(dá)模型相一致。隨后細(xì)菌和真菌的多樣性增加，意味著蜜環(huán)菌可以影響微生物群落及其與共生生物的聯(lián)系。

　　由于沒(méi)有光合作用的能力，天麻完全依靠共生菌提供營(yíng)養(yǎng)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)獨(dú)角金內(nèi)酯是天麻與蜜環(huán)菌共生關(guān)系建立的重要信號(hào)，其作用機(jī)制與促進(jìn)植物和從枝菌根共生的機(jī)制類似。在天麻中，獨(dú)角金內(nèi)酯生物合成和運(yùn)輸關(guān)鍵基因carotenoid cleavage dioxygenases（CCDs）和ABC transporters（PDRs）的數(shù)量增加，且受控實(shí)驗(yàn)證明獨(dú)角金內(nèi)酯可以促進(jìn)蜜環(huán)菌菌絲分支，有助于建立天麻和蜜環(huán)菌的共生關(guān)系。而天麻中鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶DMI3基因的數(shù)量也增加，有助于進(jìn)一步調(diào)控蜜環(huán)菌在天麻上中定植（侵染共生）。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，定植（侵染共生）后蜜環(huán)菌菌絲的生長(zhǎng)將主要限制在天麻的皮層，這與PDRs基因在皮層中轉(zhuǎn)錄水平最高相一致。皮層是天麻最主要的代謝中心，在該組織中水解酶、轉(zhuǎn)運(yùn)體等基因的轉(zhuǎn)錄水平也基本為最高。endo-β-1,4-D-xylanase和β-glucosidase基因在天麻中的數(shù)量增加，二者被認(rèn)為在水解蜜環(huán)菌菌絲壁中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，其為天麻提供的碳源。此外，基因數(shù)量增加的還有g(shù)lutamate N-acetyltransferase和ureases，它們是精氨酸生物合成以及尿素代謝的關(guān)鍵基因，被認(rèn)為在天麻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

　　這些結(jié)果展現(xiàn)了完全異養(yǎng)植物如何利用基因組的可塑性，即通過(guò)實(shí)現(xiàn)廣泛的基因收縮甚至丟失、擴(kuò)張以及基因的新功能化來(lái)完成其獨(dú)特的生活史，可作為植物與菌根共生研究的模式。該研究對(duì)于進(jìn)一步開展天麻栽培技術(shù)的提升、定向新品種選育，以及保證藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量均具有重要的意義。

　　該論文由中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心、中國(guó)科學(xué)院植物研究所、北京諾禾致源科技股份有限公司、湖北中醫(yī)藥大學(xué)、安徽中醫(yī)藥大學(xué)、云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院共同完成。