丛枝菌根真菌通过调控蔗糖代谢基因表达介导水分胁迫下枳壳叶片糖谱重塑的机制研究

《BMC Plant Biology》：Arbuscular mycorrhizal fungi mediate leaf sugar profile in water-stressed trifoliate orange

本研究针对柑橘干旱胁迫下糖代谢调控机制不清的问题，探讨了摩西管柄囊霉(Funnelliformis mosseae)接种对枳壳叶片糖组分含量及蔗糖代谢关键基因表达的调控作用。研究发现AMF通过上调CtAI、CtNI和CtSPS基因表达，促进蔗糖合成与分解，增加单糖积累，显著改善植株水分状况和生长性能，为揭示AMF增强植物抗旱性的糖代谢机制提供了新见解。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，干旱胁迫已成为制约农业生产的主要非生物逆境因素之一。柑橘作为重要的经济作物，在我国夏季和秋季常面临水分短缺的威胁，严重影响树木生长、叶片光合能力及果实品质形成。面对这一挑战，挖掘植物自身的抗逆机制并寻找有效的生物调控途径显得尤为重要。在自然界中，约有80%的陆地植物能与丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)形成互利共生关系，这种共生体系能显著增强植物对水分胁迫的耐受性。然而，AMF如何通过调控宿主糖代谢过程来增强抗旱性的分子机制尚不明确，这成为当前研究的重要科学问题。

为解决这一问题，蒲诗琪等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了题为"Arbuscular mycorrhizal fungi mediate leaf sugar profile in water-stressed trifoliate orange"的研究论文，以常用柑橘砧木枳壳(Citrus trifoliata L.)为材料，探究了接种摩西管柄囊霉(Funnelliformis mosseae)对水分胁迫下植株生长、水分状况、叶片糖组分含量以及蔗糖代谢相关基因表达的影响。

研究人员采用盆栽实验设计，设置充足供水(75%田间持水量)和水分胁迫(55%田间持水量)两种水分条件，分别接种或不接种F. mosseae，处理10周后测定各项指标。关键技术方法包括：菌根侵染率测定(台盼蓝染色法)、叶片糖组分分析(高效液相色谱法)、蔗糖代谢酶活性检测(酸转化酶AI、中性转化酶NI和蔗糖磷酸合成酶SPS)以及基因表达分析(实时荧光定量PCR)。

研究结果首先证实了AMF与枳壳的成功共生。通过显微观察发现，接种F. mosseae的根系中出现了典型的菌丝、丛枝和泡囊结构，而对照植株根系中未发现菌根结构。水分胁迫使菌根侵染率降低了14.36%，表明土壤水分是影响AMF与宿主植物共生关系的重要因素之一。

在植物生长性能方面，水分胁迫显著抑制了枳壳的株高、茎粗、叶片数和生物量积累，而AMF接种则显著缓解了胁迫的不利影响。在充足供水条件下，接种AMF使株高、茎粗、叶片数和生物量分别增加了79.94%、39.11%、110.01%和66.83%；在水分胁迫条件下，这些指标也分别提高了52.91%、24.04%、99.13%和67.25%。AMF接种与水分胁迫对叶片数和茎粗存在显著的交互作用。

叶片水分状况测定显示，水分胁迫显著降低了叶片水势，而AMF接种使充足供水和水分胁迫条件下的叶片水势分别提高了25.61%和26.32%。叶片相对含水量仅在充足供水条件下因AMF接种而显著增加。

叶片生理指标分析表明，水分胁迫显著降低了氮平衡指数和叶绿素指数，而AMF接种则显著提高了这两个指标。叶绿素荧光参数测定发现，水分胁迫降低了未接种植株的最大光化学量子产量(QY_max)和稳态光化学量子产量(QY_Lss)，但AMF接种显著缓解了这种抑制作用，并降低了稳态非光化学淬灭(NPQ_Lss)，表明AMF提高了光能利用效率，减轻了光合器官的损伤。

糖组分分析共检测到10种糖组分(8种单糖和2种二糖)。AMF接种显著提高了D-果糖、D-半乳糖、葡萄糖和肌醇的含量，且在水分胁迫下还增加了D-阿拉伯糖的含量。在充足供水条件下，AMF接种降低了蔗糖和麦芽糖含量，而在水分胁迫下无显著差异。AMF接种与水分胁迫对多种糖组分含量存在显著交互作用。

酶活性测定显示，水分胁迫仅显著提高了接种AMF植株的酸性转化酶(AI)活性，而AMF接种在水分胁迫下也仅显著提高了AI活性，对中性转化酶(NI)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性无显著影响。

基因表达分析发现，AMF接种显著上调了CtAI、CtNI和CtSPS基因的表达。相关性分析显示，这三个基因的表达与菌根侵染率和葡萄糖含量呈显著正相关，与蔗糖含量呈显著负相关。

主成分分析进一步证实了接种与未接种处理间的显著差异，其中肌醇、D-半乳糖、蔗糖、CtSPS和CtNI对第一主成分的贡献最大。

本研究得出结论：尽管水分胁迫降低了菌根侵染率和植物生长，但AMF接种通过上调枳壳叶片中蔗糖代谢相关基因(CtAI、CtNI和CtSPS)的表达，增强了蔗糖合成能力并加速了蔗糖向葡萄糖和果糖的分解，增加了叶片中单糖和二糖含量，这对于改善植株生长和提高叶片水势至关重要。该研究揭示了AMF通过调控蔗糖代谢基因表达来介导叶片糖谱重塑，从而增强植物抗旱性的新机制，为利用AMF提高柑橘抗旱性提供了理论依据。未来研究需关注多种AMF物种及其他植物组织糖谱对水分胁迫的响应，并整合多组学技术全面揭示AMF介导的抗旱分子机制。