ランの菌根

菌類がランに侵入するとすぐに、菌類は発育中の実生の胚と成植物の根にペロトンと呼ばれる細胞内菌糸コイルを形成します。^{[ 4 ]}根皮質細胞におけるペロトンの形成は、ラン菌根を他の菌類と区別する特徴的な解剖学的構造です。^{[ 17 ]}ペロトンは、大きさや菌糸の配置、密度が異なる場合があります。^{[ 7 ]}ペロトンは、界面マトリックスとランの形質膜によってランの細胞質から分離されています。^{[ 18 ]}界面マトリックスを構成する物質は、ラン菌根の相互作用の段階によって異なる場合があります。^{[ 19 ]}変性したペロトンを持つランの細胞にはデンプン粒がなく、新たに侵入されたランの細胞には大きなデンプン粒が含まれていることから、真菌のコロニー形成によってデンプンが加水分解されたことが示唆される。^{[ 13 ]}感染したランの皮層細胞と、感染部位の近くの非感染皮層細胞では、DNA 含有量の増加により核が肥大する。^{[ 20 ]} DNA 含有量の増加は柔細胞の分化と相関しており、ランの成長におけるその役割を示唆している。^{[ 21 ]} 生きた真菌菌糸のペロトンが老化し、最終的に崩壊または溶解すると、ランの細胞内で茶色または黄色の塊として現れる。^{[ 6 ]}崩壊したペロトンは、現在の研究において非常に興味深い領域である。崩壊したペロトンは、まずランの微小管がペロトンを取り囲む崩壊を経験し、これが菌糸の生理的および構造的変化を引き起こすペロトン崩壊のメカニズムである可能性がある。^{[ 18 ]}古い根の皮層細胞は、若いペロトンよりも溶解したペロトンが多い傾向がある。^{[ 2 ]}ペロトンが溶解しても、新しいペロトンが形成され続けるため、新しい菌糸活動が活発であることを示している。^{[ 8 ]}

ランが菌根菌に感染すると、栄養の伝達と共生を可能にするために、両方のパートナーが大きく変化します。栄養伝達メカニズムと共生菌根ペロトン器官は、最初の接触から約 20〜36 時間後に感染後すぐに現れ始めます。^{[ 28 ]}共生器官の形成と栄養の移動経路を促進するために、多くの異なる遺伝子の遺伝子発現の大幅なアップレギュレーションとダウンレギュレーションが行われます。菌がランの柔細胞に入ると、形質膜が陥入して菌の感染と成長を促進します。^{[ 36 ]}この新たに陥入した形質膜は、成長中のペロトンを囲み、栄養が交換される巨大な表面積を作り出します。ランの菌根のペロトンは、密に巻かれた菌糸で、アーバスキュラー菌根の内生菌根構造と比較して、より広範囲に及ぶことがよくあります。^{[ 37 ] [ 28 ] [ 38 ]}周囲の植物膜は、リボソームと多数の輸送タンパク質、アクアポリンが豊富な粗面小胞体となる。さらに、電子顕微鏡観察により、植物膜からのエキソサイトーシスの発生が示唆されている。 ^{[ 31 ]}この非常に複雑で輸送タンパク質が豊富な膜は、植物と菌類間の栄養交換の役割を巧みに果たし、界面アポプラスト内でリボソームと分泌酵素による分子操作を可能にする。^{[ 33 ] [ 39 ]}ペロトンは永続的な構造ではなく、ランの菌根では形成後30〜40時間以内に容易に分解され消化される。これはすべての内生菌根共生で起こるが、ランは菌類ペロトンを形成後より早く、アーバスキュラー菌根相互作用で見られるよりも頻繁に消化する。^{[ 40 ]}このより極端な消化パターンの発生は、死細胞からの栄養素の吸収である壊死性栄養素転送と関係がある可能性があると提案されている。^{[ 41 ] [ 40 ] [ 28 ]}菌類とラン植物間の転送の大部分に関与する主要な栄養素は、炭素、窒素、リンである。^{[ 42 ]}

ランの菌根菌との相互作用は、栄養素の流れにおいて独特です。通常、アーバスキュラー菌根菌との相互作用では、植物は環境に応じてリンまたは窒素、あるいはその両方と引き換えに菌類に炭素を一方的に供給しますが、^{[ 43 ] [ 42 ]}ランの菌根菌による栄養素の伝達は特異性が低く（ただし、制御されていないわけではありません）、菌類と植物の間で炭素の双方向の流れがあることが多く、菌類から植物への窒素とリンの流れもあります。約400種の植物では、植物から炭素の流れはなく、植物のすべての栄養素は菌類によって供給されます。^{[ 33 ]}しかし、これらの相互作用における植物の正味の炭素獲得は、観察された相互作用の大部分で正です。^{[ 41 ]}

リンはすべての植物に必要な重要な栄養素であり、土壌中のリン欠乏はしばしば共生関係の形成を決定づける。菌根菌は周囲の土壌から有機リン、リン酸塩、無機リン化合物の3つの異なる形態でリンを得る。これらの化合物はしばしば陽イオンに強く結合しており、生物学的に利用可能にするにはプロトン化または異化される必要がある。菌根菌は、その広大な土壌表面積と高い酵素多様性により、これを行うのに非常に効率的である。^{[ 44 ] [ 43 ] [ 42 ]}土壌から解放されたリン化合物（主に無機リン酸塩）は、2つの提案された経路を介して移動する。 1つ目の方法は、主にリン酸として無機リンを菌類から界面アポプラストへ能動的に輸送し、界面アポプラストの酸性度によりプロトン化されてリン酸二水素を形成し、その後能動的なリン酸輸送体によって植物細胞へ輸送するものである。^{[ 42 ] [ 44 ]} 2つ目の方法は、前述の経路と同様に、菌類からのリン酸の受動的な流出と植物による能動的な吸収に依存する。自由生活性の菌類は通常、菌糸の再吸収性のため、リン酸の損失が非常に少ないことが観察されているが、共生中はリン酸の再吸収が減少するため、菌類からの正味の流出が増加すると考えられている。^{[ 42 ]}どちらの経路も、効率的な輸送のために菌類細胞内のリン酸濃度が比較的高く、植物細胞内のリン酸濃度が低いことを必要とするが、2つ目の方法はこの条件に大きく依存する。さらに、これらの方法は相互に排他的ではなく、同じ個体で発生する可能性がありますが、相互作用の複雑さを明らかにするには、さらなる研究が必要です。^{[ 28 ]}リンの交換を促進するために、さまざまな遺伝子が上方制御されます。ラン植物では、MtPT4 や StPT3 などの Pi トランスポーター遺伝子が H+ ATPase トランスポーターとともに上方制御されます。^{[ 43 ]}菌類パートナーは、Pi トランスポーター遺伝子とアルカリホスファターゼをコードする遺伝子 (Perotto) を上方制御しました。^{[ 45 ] [ 43 ]}ホスファターゼ遺伝子の上方制御は、一部の環境で菌類が得るリンの大部分が有機分子の異化作用によるものであることを示している点で重要です。^{[ 43 ]}菌根共生が確立されると、植物が得るリンは菌類組織を通してのみ得られることに注意することが重要です。^{[ 31 ]}さらに、菌類から植物へのリンの大規模な補助輸送は、菌類ペロトンが生きているときにのみ発生し、これらの構造が分解し始めると、リンの大幅な流れは停止します。^{[ 44 ]}これにより、この経路は生物栄養性、つまり両方とも生きている2つ以上の生物間での栄養素の移動に分類されます。

窒素輸送は、菌根共生を介して起こることが多い、同様に重要で影響力のあるプロセスです。^{[ 46 ]}窒素はリンよりもはるかに容易に入手でき、はるかに豊富ですが、菌根相互作用は窒素の分配において依然として大きな利点をもたらします。硝酸塩とアンモニウムとしての生物利用可能な窒素は、土壌媒体から菌根菌の根外菌糸に吸収され、アミノ酸に同化されます。 ^{[ 43 ]}場合によっては、アミノ酸やその他の窒素含有有機化合物が周囲の土壌に存在することがあります。その場合、有機窒素の取り込みは、アミノ酸透過酵素とペプチド輸送体を介しても行われます。^{[ 39 ]}アミノ酸として菌類に組み込まれると、窒素が宿主植物に転送されるメカニズムにはいくつかの異なるものが提案されています。これらの窒素転送経路は専ら生物栄養性であると考えられていますが、かなりの量の窒素が壊死栄養性にも転送される可能性がありますが、それは大きく異なるプロセスです。^{[ 46 ]}最初の経路では、アミノ酸は菌糸体外に運ばれ、そこで尿素回路の異化段階によって分解される。合成され菌体内に運ばれる主要なアミノ酸はアルギニンであり、これはアンモニウムに異化される。アンモニウムはその後、菌糸体と周囲の植物膜との間の界面空間に送られ、アンモニウム輸送体を介して植物細胞に輸送され、植物に組み込まれる。^{[ 39 ]}

この経路を介した窒素の輸送（主にアンモニウムとして）に対応するため、植物パートナーではアンモニウム輸送体遺伝子群が上方制御され、さらに菌根菌パートナーは、外部アミノ酸透過酵素、硝酸塩輸送体、アンモニウム輸送体とともに、プロテアーゼ遺伝子群を上方制御することが多い。 ^{[ 39 ] [ 42 ]} Cameron 2006 および Fochi 2016 が提唱したように、窒素は、アルギニン、グリシン、グルタミンなどのアミノ酸として、特定の少数の特殊なアミノ酸輸送体を介して細胞内に輸送されることもある。ラン植物と共生関係にある菌根菌T. calospora は、アミノ酸透過酵素をコードする遺伝子である SvAAP1 および SvAAP2 の発現を上方制御し、アミノ酸が窒素輸送に関与する重要な分子であるという仮説を支持する。^{[ 39 ] [ 32 ] [ 40 ]}アミノ酸にはかなりの量の炭素も含まれており、炭素の輸送が観察されたアミノ酸トランスポーター遺伝子のアップレギュレーションの主な原因である可能性がありますが、それでも窒素はこの経路を介して植物に輸送される可能性があります。^{[ 41 ]}アンモニウムの形での無機窒素の輸送とアミノ酸としての有機窒素の輸送は、土壌中のさまざまな窒素化合物の存在量に応じて、同じ種または生物で同時に起こる可能性が最も高いです。^{[ 28 ]} Fochi 2016 と Dearnaley 2007 は、アミノ酸が実際にはランに転送される主要な窒素化合物である可能性があると示唆しており、その証拠は菌根菌に関連する植物内の濃縮された C13 と N15 の同位体比から得られていますが、この輸送関係を完全に理解するには、さらなる研究が必要です。^{[ 39 ] [ 31 ]}

菌根菌からラン植物へ窒素とリンを運ぶ独特のペロトン構造を除けば、これらの栄養素の輸送は、前述のように、アーバスキュラー菌根やエリカ菌根で観察されるものとほぼ同じですが、菌根輸送に関わる最も基本的な要素である炭素に関しては、ランの菌根は、菌根共生における一方向の栄養素輸送という従来のパラダイムとは明らかに異なる特徴を示しています。^{[ 28 ] [ 42 ] [ 41 ]}ランの菌根相互作用は、葉緑素を持たないMonotropa unifloraのように菌類に寄生する完全な菌従属栄養植物から、緑葉の Goodyera repens のように双方向の栄養輸送が行われるアーバスキュラー菌根に見られるものと同様の性質を持つ相互作用まで、さまざまな共生シナリオを包含しています。^{[ 47 ] [ 32 ] [ 33 ]}ランの菌根における記録された相互作用では、光合成能力のある種であっても、炭素が菌類から植物へ容易に流れることが観察されています。これは、植物から菌類への炭素の移動と同時に起こる場合もあれば、そうでない場合もあります。^{[ 32 ] [ 48 ] [ 41 ]}この現象の進化論的理由はまだ解明されていません。^{[ 28 ]}

このため、ランの菌根は一般的に少なくとも部分的に菌従属栄養的な相互作用であると考えられています。^{[ 28 ]}菌従属栄養性のランの菌根では、菌類が炭素を、土壌中で起こる腐生反応の産物であるペプチドや炭水化物の様々な形で吸収します。^{[ 28 ] [ 49 ] [ 50 ]}これらの反応は、担子菌門に属する菌根菌の活動によって開始され、進行することが多く、ランに関連する菌類は、利用できる広範な代謝手段を持ち、セルロースやリグニンを容易に消化して炭素を得ることができます。^{[ 50 ]}プロテアーゼ、セルロースおよびリグニン消化酵素、ならびにオリゴペプチドおよび炭水化物トランスポーターをコードする遺伝子は、炭素の吸収増加を促進するために菌糸土壌網で上方制御されます。^{[ 36 ]}さらに、ラン植物と菌従属栄養的に相互作用する菌類は、ブナの木との菌根共生でもよく見られます。^{[ 51 ]}樹木から菌類、そしてランへと光合成産物が転流されることが提案されていますが、徹底的な研究はまだ行われていません。^{[ 52 ]}菌類によって獲得された炭素は、糖類（ほとんどの菌根菌ではトレハロースが極めて一般的）、アミノ酸に変換されるか、あるいは単に菌類生物に同化されます。菌類から植物への炭素の転移は、主にトレハロースなどの炭水化物として、または主にアルギニンなどのアミノ酸として、またはグリシンやグルタミンなどのアミノ酸として、2 つの形態のいずれかで起こる。^{[ 33 ] [ 32 ] [ 40 ]}これらの分子は、菌類ペロトン膜に埋め込まれた特殊なアミノ酸透過酵素と炭水化物輸送体を介して、界面空間に輸送され、ペロトンを取り囲む植物小胞体膜にある同様の類似輸送体を介して植物に吸収される。^{[ 40 ] [ 32 ] [ 49 ]}このような輸送体をコードする遺伝子は、植物と菌類の両方で、共生中に窒素およびリン化合物輸送体遺伝子で見られるアップレギュレーションと同様に、有意なアップレギュレーションを受ける。^{[ 36 ]}菌類から植物への炭素の能動輸送は、完全に生物栄養的な反応であるが、菌類の塊が分解・消化される際にも、かなりの量の炭素が植物に伝達されると考えられている。

前述のように、窒素と炭素の伝達は生きたペロトンを介して容易に起こりますが、Kuga 2014 と Rasumussen 2009 は、菌類ペロトンの老化と消化中に大量の炭素と窒素が植物に取り込まれることもあることを観察しています。このプロセスは菌食と呼ばれます。^{[ 41 ] [ 40 ]}ペロトンの溶解は、観察されたほとんどのラン植物内で接触および最初のペロトン形成後 30 ～ 40 時間で始まります。^{[ 28 ]}前述のように、ペロトンが形成されると、植物由来の膜で覆われ、最終的にはゴルジ装置に囲まれた小胞体の性質を帯びます。これらのオルガネラの存在は、その目的を示しており、菌類細胞を消化するためにペロトンと植物膜の間の界面に消化酵素を分泌することであると考えられています。^{[ 53 ]}菌糸体の運命が決定し、分解と消化が行われると、菌糸体の周囲に二次膜が形成されます。これは基本的に大きな液胞であり、菌糸体の隔離された分解を可能にします。^{[ 53 ]}さらに、ペルオキシソームが消化植物細胞内に蓄積し、新たに形成された液胞にエキソサイトーシスを起こします。このプロセスにより、尿酸分解酵素、キチナーゼ、ペプチダーゼ、酸化酵素、触媒などの多数の酵素が液胞内に濃縮され、菌糸体の分解が促進されます。^{[ 53 ] [ 28 ]}分解された菌糸体の残骸は植物に吸収され、栄養素とエネルギーが植物宿主に伝達されます。^{[ 41 ]}安定同位体イメージングにより、菌根菌の菌糸網に適用された C13 と N15 は菌類ペロトンを介して植物に容易に移行し、植物細胞を含むペロトンとペロトン自体にこれらの同位体が不均衡な量で存在することが明らかになったが、老化ペロトンでは、これらの C13 と N15 を含む化合物の濃度はさらに顕著で、生きているペロトンよりも有意に高かった。^{[ 40 ]}これは、植物ペロトンが老化し始めると、炭素と窒素の栄養化合物が蓄積され、おそらく溶解中に植物に移行することを示唆している。^{[ 40 ]}菌糸の形態変化もこの提案をさらに裏付けており、ペロトンが崩壊する前の最後の形態変化は膨張であり、これはおそらく栄養化合物の負荷の増加によるものである。^{[ 40 ]}消化が完了すると、すぐに消化細胞の再感染が起こり、新しいペロトンが形成され、最終的には分解されます。^{[ 41 ]}再感染と消化は連続体であり、協力関係の全期間にわたって周期的に発生します。^{[ 28 ]} Rasmussen 2009 は、栄養転送に関与する 2 種類の植物宿主細胞、いわゆる「消化細胞」といわゆる「宿主細胞」を区別しています。「消化細胞」は、密な菌糸ペロトンの形成に続いて急速な消化とそれに続く再感染に関与しているようですが、「宿主細胞」には生きた菌糸ペロトンが含まれており、消化されないか、少なくともそれほど容易には消化されません。^{[ 41 ]} Rasmussen 2002 は、菌類細胞の溶解を伴うピトファジーと呼ばれる別の栄養転送モードについて論じているが、菌糸全体を溶解するのではなく、成長端のみが分解され、菌類の細胞質の内容物が植物と菌類の膜の間の界面空間に放出され、そこで植物が必要な化合物を吸収することができる。この栄養転送モードに関する情報は少なく、まだ推測の域を出ず、さらなる研究が必要である。^{[ 54 ]}

微量栄養素の移行は、ほとんどの場合、菌類による土壌からの吸収時と菌類から宿主植物への移行時の両方において、細胞膜を介した受動輸送によって起こると考えられている。^{[ 42 ]}ただし、常にそうとは限らず、このトピックに関する研究は限られているものの、特定の条件下では微量栄養素の能動輸送と分配の証拠がある。^{[ 55 ]}ラン科植物D. officinale の共生ではカチオントランスポーターのアップレギュレーションが観察されており、菌類が菌類から植物への栄養素の移行を助けている可能性が示唆されている。^{[ 56 ]}カチオン、特に鉄は、有機物や粘土質の基質に強く結合していることが多く、植物、菌類、細菌の手の届かないところにあるが、シデロフォアなどの化合物は、これらのカチオンの獲得を助けるために、菌類や細菌によって土壌に分泌されることが多い。^{[ 50 ]}シデロフォアは、Fe3+ に対して非常に高い親和性を持つ小さな分子であり、多くの細菌や菌類によって利用されていることが一般的に見られる。^{[ 57 ]}これらの化合物は菌糸網の周囲の土壌に放出され、土壌中の鉱物化合物から鉄を奪い取ります。その後、シデロフォアは菌糸に再吸収され、そこで鉄はシデロフォアから解離して利用されます。^{[ 57 ]} Haselwandter は、主要な鉄キレート化合物としてシデロフォア バシジオクロムを利用するRhizoctonia属のラン共生菌根菌におけるシデロフォアの存在を調査しました。 ^{[ 55 ]}他の重要な栄養素は、キレート分子などの特殊な方法を介して菌根菌とラン植物の間で伝達される可能性がありますが、この主題についてはさらなる研究が必要です。^{[ 28 ]}