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菌共生關系及其形成機制。
2018年4月24日，中國中醫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。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。天麻是一種完全異養的蘭科植物，在它的生命周期中與至少兩種類型的真菌有關：種子萌發靠紫萁小菇供給營養，形成原球莖后靠蜜環菌才能正常生長。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的發展。
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現的被子植物基因數量最少的基因組。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生活方式的結果。天麻中的3,586個基因家族發生了收縮，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，但發現了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。同時發現天麻中單子葉甘露糖結合凝集素抗真菌蛋白（GAFP）基因的數量增加，GAFP蛋白可以抑制子囊菌和擔子菌的生長。在天麻與蜜環菌建立了穩定的共生關系之前，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，發現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，意味著蜜環菌可以影響微生物群落及其與共生生物的聯系。
由于沒有光合作用的能力，天麻完全依靠共生菌提供營養。研究團隊發現獨角金內酯是天麻與蜜環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）的數量增加，且受控實驗證明獨角金內酯可以促進蜜環菌菌絲分支，有助于建立天麻和蜜環菌的共生關系。而天麻中鈣調素依賴性蛋白激酶DMI3基因的數量也增加，有助于進一步調控蜜環菌在天麻上中定植（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基因在天麻中的數量增加，二者被認為在水解蜜環菌菌絲壁中發揮了關鍵的作用，其為天麻提供的碳源。此外，基因數量增加的還有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揮了關鍵的作用。
這些結果展現了完全異養植物如何利用基因組的可塑性，即通過實現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、湖北中醫藥大學、安徽中醫藥大學、云南省農業科學院共同完成。
