天麻（Gastrodia elata）作為一種名貴中藥材，最早記載于《神農本草經》，列為上品。天麻的人工栽培一度被認為是世界性難題。上世紀60年代，我國科學家徐錦堂先生利用蜜環(huán)菌首次伴栽天麻成功，結束了天麻不能人工栽培的歷史。為此，陜西藥農自發(fā)集資為徐錦堂先生雕塑，贊譽他為“天麻之父”。半個世紀過去了，天麻的生產正面臨著品種改良、技術更新、品質提升等一系列新問題，迫切需要從生物學角度深入了解天麻與蜜環(huán)菌共生關系及其形成機制。

　　2018年4月24日，中國中醫(yī)科學院中藥資源中心袁媛、黃璐琦團隊與相關單位共同合作在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象，繪制了第一個完全依賴于菌根異養(yǎng)植物的高質量基因組圖譜。

　　植物和真菌（菌根）之間的共生關系始于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生命周期都需要完全依賴于菌根的營養(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：種子萌發(fā)靠紫萁小菇供給營養(yǎng)，形成原球莖后靠蜜環(huán)菌才能正常生長。在栽培過程中，天麻大部分時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。論文提供了天麻高質量的參考基因組，并用來揭示其完全異養(yǎng)生活方式的分子基礎，對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量和質量的提升以及促進相關產業(yè)的發(fā)展。

　　使用WGS對天麻基因組進行測序，通過K-mer分析預估基因組大小為1.18 Gb。編碼18,969個基因，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歷了大量的缺失事件，可能是其適應完全異養(yǎng)生活方式的結果。天麻中的3,586個基因家族發(fā)生了收縮，且丟失了2961個基因。由于不需要進行光合作用，天麻的質體基因組收縮為35,326 bp并發(fā)生明顯重組，且只保留了12個編碼光合復合體蛋白（NEP）的基因。

　　盡管天麻基因組經歷了廣泛的基因丟失，但發(fā)現(xiàn)了430個基因家族在天麻中擴張，推測這些擴張的基因與天麻完全異養(yǎng)生活方式有關。研究團隊首先通過測序并組裝線粒體基因組來驗證這個想法。結果表明，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大為1339kb。同時發(fā)現(xiàn)天麻中單子葉甘露糖結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子菌的生長。在天麻與蜜環(huán)菌建立了穩(wěn)定的共生關系之前，超過80％的GAFP基因在原球莖和米麻中高度表達。通過結合16S核糖體和rDNA ITS序列分析，發(fā)現(xiàn)細菌和真菌的多樣性在原球莖階段顯著較低（P<0.05），這與GAFP的基因表達模型相一致。隨后細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。

　　由于沒有光合作用的能力，天麻完全依靠共生菌提供營養(yǎng)。研究團隊發(fā)現(xiàn)獨角金內酯是天麻與蜜環(huán)菌共生關系建立的重要信號，其作用機制與促進植物和從枝菌根共生的機制類似。在天麻中，獨角金內酯生物合成和運輸關鍵基因carotenoid cleavage dioxygenases（CCDs）和ABC transporters（PDRs）的數(shù)量增加，且受控實驗證明獨角金內酯可以促進蜜環(huán)菌菌絲分支，有助于建立天麻和蜜環(huán)菌的共生關系。而天麻中鈣調素依賴性蛋白激酶DMI3基因的數(shù)量也增加，有助于進一步調控蜜環(huán)菌在天麻上中定植（侵染共生）。顯微結構分析表明，定植（侵染共生）后蜜環(huán)菌菌絲的生長將主要限制在天麻的皮層，這與PDRs基因在皮層中轉錄水平最高相一致。皮層是天麻最主要的代謝中心，在該組織中水解酶、轉運體等基因的轉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，二者被認為在水解蜜環(huán)菌菌絲壁中發(fā)揮了關鍵的作用，其為天麻提供的碳源。此外，基因數(shù)量增加的還有glutamate N-acetyltransferase和ureases，它們是精氨酸生物合成以及尿素代謝的關鍵基因，被認為在天麻氮素轉運中發(fā)揮了關鍵的作用。

　　這些結果展現(xiàn)了完全異養(yǎng)植物如何利用基因組的可塑性，即通過實現(xiàn)廣泛的基因收縮甚至丟失、擴張以及基因的新功能化來完成其獨特的生活史，可作為植物與菌根共生研究的模式。該研究對于進一步開展天麻栽培技術的提升、定向新品種選育，以及保證藥材的產量和質量均具有重要的意義。

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