丛枝菌根真菌通过调控谷氨酸和赖氨酸代谢增强青杨干旱耐受性的机制研究 中文标题

本期推荐一项关于植物抗旱机制的重要研究。为揭示丛枝菌根真菌(AMF)增强林木干旱耐受性的代谢调控机制，研究人员通过接种Rhizophagus irregularis菌株，系统分析了干旱胁迫下青杨(Populus cathayana)的谷氨酸代谢ALA途径、脯氨酸合成途径以及赖氨酸代谢 saccharopine 途径的关键代谢物变化和基因表达模式。研究发现AMF symbiosis 通过促进叶绿素合成、血红素积累以及根系渗透调节物质（脯氨酸、哌啶酸和α-氨基己二酸）的生物合成，显著提升植物的光合能力和抗氧化能力。该研究为利用微生物共生技术改善林木抗旱性提供了新的理论依据和靶点。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为制约林木生长发育的关键环境因子。青杨（Populus cathayana）作为我国北方重要造林树种，在生态建设和木材生产中具有重要价值，但其生长深受干旱胁迫影响。丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）能与绝大多数陆生植物形成共生体系，通过扩展根系吸收范围增强宿主水分和养分吸收能力。此前研究表明AMF能通过促进氮素吸收提升植物抗旱性，但其调控氨基酸代谢通路的具体机制尚未明确。

为解析AMF调控氨基酸代谢增强抗旱性的机制，华南农业大学研究团队在《Plant Stress》发表了最新成果。研究人员通过盆栽实验设计双因素处理（接种/不接种AMF菌株Rhizophagus irregularis；正常浇水/干旱胁迫），采用多组学技术系统分析了青杨叶片和根系中谷氨酸代谢ALA途径、脯氨酸合成途径以及赖氨酸代谢saccharopine途径的关键代谢物变化和基因表达模式。

研究采用的关键技术包括：基于WinRHIZO的根系形态分析系统、PAM-2500叶绿素荧光成像系统、液相色谱-质谱联用（UPLC-MS）代谢物定量技术、实时荧光定量PCR（qRT-PCR）基因表达分析以及冗余分析（RDA）等统计学方法。所有实验均设置4个生物学重复，数据经双因素方差分析和Duncan检验进行统计学处理。

3.1. AMF inoculation improves the growth of plants under drought stress

干旱胁迫导致非菌根化植株生物量和根系形态指标显著下降，而AMF接种显著提高了干旱条件下植株的叶干重、根干重、根尖数和根系交叉数，同时降低了根平均直径，表明AMF通过改善根系构型增强水分吸收能力。

3.2. AMF inoculation improved the photosynthetic capacity and root vitality of plants under drought stress

AMF接种显著提升了干旱条件下PSII最大光化学效率（Fv/Fm）和根系活力，降低了非光化学淬灭系数（NPQ），证明AMF能维持光合机构稳定性。

3.3. AMF inoculation alleviated oxidative damage in plants under drought stress

菌根化植株在干旱胁迫下叶片H₂O₂含量、丙二醛（MDA）含量和电解质泄漏率显著低于非菌根化植株，表明AMF有效减轻了氧化损伤。

3.4. AMF inoculation promoted chlorophyll synthesis and reduces chlorophyll degradation in plants under drought stress

AMF接种显著提高了干旱条件下叶片谷氨酸、ALA、Proto IX、叶绿素a等ALA途径关键中间产物含量，同时降低了叶绿素酶活性，表明其通过双向调控合成与降解途径维持叶绿素稳态。

3.5. AMF inoculation upregulated the chlorophyll synthesis-related regulatory genes expression and downregulates chlorophyllase gene expression in leaves under drought stress

qRT-PCR分析显示AMF接种上调了PcGluTR、PcPBGD等叶绿素合成相关基因表达，下调了叶绿素降解基因PcCLH表达，从转录水平验证了代谢物变化。

3.6. AMF inoculation promoted heme synthesis and heme oxygenase gene expression in leaves under drought stress

菌根化植株叶片血红素含量和PcFECH1、PcFECH2、PcHO1基因表达显著提升，表明AMF通过促进血红素合成增强抗氧化防御能力。

3.7. AMF inoculation promoted the proline synthesis pathway in glutamate metabolism and the saccharopine pathway within roots under drought stress

AMF接种显著提高根系谷氨酸、脯氨酸、哌啶酸和α-氨基己二酸含量，以及P5CS酶活性，表明其同步激活了脯氨酸合成途径和saccharopine途径。

3.8. AMF inoculation upregulated the genes expression related to the proline synthesis pathway in glutamate metabolism and the saccharopine pathway within roots under drought stress

根系中PcLKR、PcSDH、PcP5CS1/2等关键基因显著上调，证实AMF在转录水平调控了这些代谢通路。

3.9. Redundancy analysis and pearson’s correlation analysis

冗余分析表明AM-DS处理与叶片血红素合成、根系脯氨酸和saccharopine途径呈正相关，Pearson相关分析进一步验证了这些代谢过程与抗旱性的关联。

研究结论表明，AMF通过器官特异性调控策略增强青杨抗旱性：在叶片中通过激活ALA途径促进叶绿素和血红素合成，减轻光氧化损伤；在根系中通过协调谷氨酸代谢的脯氨酸合成途径和赖氨酸代谢的saccharopine途径，增强渗透调节和抗氧化能力。该研究首次系统揭示了AMF通过调控氨基酸代谢网络增强林木抗旱性的分子机制，为应用菌根生物技术改善林木逆境适应性提供了重要理论依据和实践靶点。未来研究可进一步探索外源施加ALA、血红素前体等代谢物与AMF接种的协同效应，为农林生产中的抗旱管理提供新策略。