丛枝菌根真菌(AMF)作为一种内共生真菌,在地球上与高等植物已有4.6亿年的共生历史。与高等植物营养根系形成互惠共生的组织-共生体(Symbiotes)。丛枝菌根真菌可以与超过80%的高等陆生植物产生共生关系。丛枝菌根共生体可以向植物提供无法自主摄取的无机磷,而植物作为回报,为其提供脂肪酸、糖分等碳源。Rhizophagus irregularis(R株系)丛枝菌根真菌是目前被广为研究的一类常见内共生真菌,在菌根共生机理研究中常用于与高等植物进行共生以研究作用机理。目前针对丛枝菌根真菌的培养机制常用转Ti质粒的发根胡萝卜根与丛枝菌根真菌共生后,通过平板系统培养。为探究丛枝菌根真菌共生后寄主产生的内源代谢变化,在此通过整合目前最先进的非靶向代谢组学与Label-free脂质组学对无菌培养条件下菌根真菌与胡萝卜根形成的共生体菌根与无菌条件下培养的胡萝卜根进行代谢组差异分析,这个系统可以排除其他外界因素对丛枝菌根真菌与胡萝卜根共生的影响,从而清晰准确的研究两者共生所带来的代谢物、脂质等方面的变化。结果显示,丛枝菌根真菌与胡萝卜根共生后,碳代谢整体增强,天冬氨酸介导的ABC脂质转运子协同质膜信号转导分子磷脂酰丝氨酸(PS)和胞内信号转导分子磷脂酰肌醇(PI)和磷脂酰肌醇磷酸(PIP)共同上调。揭示了丛枝菌根真菌定殖后质膜,胞内信号转导的具体代谢变化。经典模型指出,寄主分泌独脚金内酯招募丛枝菌根真菌,而丛枝菌根真菌则回馈于寄主以菌根信号分子。该研究首次提出共生结构建成后,隶属于磷脂酰肌醇信号通路的PS,PI,PIP参与介导共生体信号转导。本实验室前期研究表明,R株系丛枝菌根真菌与玉米形成共生关系后,能够有效提升玉米生物量和抗逆性。本研究通过全基因组关联分析(GWAS)筛选到五个控制玉米与菌根共生效率相关基因MSERG1-5,通过遗传解析与功能验证分析调控机理,对被注释含有跨膜区,疑似控制转运相关生物学功能的显著基因MSERG3展开功能验证与遗传解析。分别对基于W22野生型改造的MSERG3 T-DNA插入突变体与W22野生型接种丛枝菌根真菌后,发现突变体的共生效率显著高于野生型。这暗示MSERG3负调控玉米与菌根的共生效率。丛枝菌根真菌为植物提供无机磷,田间试验表明,突变体相对野生型在接种R株系丛枝菌根真菌后,叶片部与根部无机磷含量显著降低,茎部无机磷含量显著提高。为揭示共生效率提高与磷代谢之间的关系,转录组测序显示,大量磷脂转运相关基因显著上调。根,茎,叶中磷脂酰胆碱变化与全无机磷变化趋势一致。结合无机磷与磷脂变化,这表明MSERG3不仅负调控丛枝菌根真菌与玉米的共生进程,并可能通过影响磷素转运进而调控共生。因为MSERG3正调控磷素摄取与转运,MSERG3突变体中磷素匮缺导致寄主不断招募菌根,最终提高了共生效率。综上所述,本研究通过对控制玉米与丛枝菌根真菌共生的MSERG3基因遗传验证与功能解析,结合R株系菌根共生体多组学验证,初步构建了MSERG3调控玉米与丛枝菌根真菌的分子调控网络,通过组学,分子生物学,生物信息学交叉联用,得到大量可供参考的生物信息,进而为玉米作物丛枝菌根真菌共生相关遗传改良奠定扎实的理论基础。