狐尾粟中丛枝菌根共生对干旱耐受性的基因型特异性调控

《Frontiers in Plant Science》：Genotype-specific modulation of drought tolerance by arbuscular mycorrhizal symbiosis in foxtail millet

耐旱小米品种ISE42与敏感品种TT8在AMF共生下的抗旱机制研究，发现ISE42通过增强氮代谢、细胞壁强化及ABA-JA-乙烯信号网络调控显著提升抗旱性和恢复能力，而TT8响应较弱。

　　干旱胁迫是影响作物产量和粮食安全的重要环境因素。丛枝菌根真菌（AMF）作为有益土壤微生物，能够提升植物的生长能力和抗逆性，但其作用效果常受到宿主植物基因型的影响。本研究通过比较两个具有不同干旱响应特性的高粱（*Setaria italica*）种质资源——耐旱品种ISE42和敏感品种TT8，探讨AMF共生对干旱胁迫的调控作用。实验结果显示，在14天的干旱处理后，两个品种均出现萎蔫现象，但AMF定殖的植物表现出较低的丙二醛（MDA）积累，表明其氧化应激得到了缓解。值得注意的是，只有AMF定殖的ISE42植株在重新供水后能够恢复生长，而TT8则没有明显的恢复迹象。尽管通过染色和qRT-PCR确认了AMF定殖，但AM共生保守基因仅在ISE42和TT8中在7天后显著上调，表明AMF对干旱的调节作用在不同基因型中表现出显著差异。

研究进一步揭示了AM共生在ISE42中对氮转运、同化、木质素代谢和纤维素生物合成相关基因的显著促进作用，表明增强的营养吸收和细胞壁强化可能是耐旱能力提升的关键机制。此外，干旱诱导的胁迫激素信号通路在ISE42根系中被下调，提示AM共生可能通过调控植物体内激素水平来缓解干旱胁迫。这些发现不仅展示了AMF在不同宿主基因型中对干旱耐受性和恢复能力的特异性影响，还强调了在作物改良中考虑宿主基因型变异的重要性。

本研究选择ISE42和TT8这两个在干旱响应上存在显著差异的高粱品种，分别评估其在干旱胁迫下与AMF共生后的生长表现和生理反应，并通过转录组分析揭示了其分子机制。在7天后，AMF处理的TT8植株表现出较严重的叶片下垂，而ISE42植株则保持正常生长状态。尽管在7天时，两组的地上部和地下部鲜重没有显著差异，但AMF处理的TT8植株的萎蔫指数明显低于对照组。相反，ISE42植株无论是否接种AMF，均未表现出萎蔫症状。在14天后，两个品种均出现严重生长停滞和萎蔫，但AMF定殖的ISE42植株在重新供水后恢复生长，表现出绿色且充满活力的叶片，而TT8植株即使重新供水也未能恢复。这些结果表明，ISE42在AMF的辅助下具有更强的干旱恢复能力。

AMF染色结果显示，两个品种的定殖效率相似，且在干旱条件下没有显著变化。通过检测*Claroideoglomus etunicatum β-Tubulin*基因的相对表达量，发现ISE42在7天后AMF定殖程度最高，而TT8在长期干旱处理下未表现出明显变化。因此，可以推断ISE42和TT8之间的干旱响应差异并非由AMF定殖效率的不同引起，而是由其内在基因型决定。

在干旱条件下，气孔关闭导致光合作用效率下降，进而引发活性氧（ROS）积累。为了评估氧化应激和ROS清除活性，我们测量了丙二醛（MDA）的浓度和两种抗氧化酶——过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性。长期干旱处理导致两个品种的MDA浓度升高，但ISE42的MDA积累显著低于TT8，这与其生长表现一致。在7天时，AMF和对照组的MDA含量没有显著差异，但在14天时，AMF处理的TT8植株MDA水平显著下降，表明AMF共生能够缓解氧化应激。重新供水后，对照组的MDA含量仍然较高，而AMF定殖的植株表现出显著的MDA水平降低，进一步验证了AMF对氧化应激的缓解作用。

CAT活性在两个品种中均在7天达到峰值，但在14天后急剧下降，且重新供水后仍保持在较低水平。在7天时，AMF和对照组的CAT活性没有显著差异，但在14天时，AMF处理的TT8植株CAT活性显著增强。APX活性在ISE42中保持较低水平，无论是否接种AMF，而在TT8中，AMF处理的植株APX活性逐渐上升，且在14天时达到可检测水平。这些结果表明，AMF共生可能通过调节APX活性来缓解氧化损伤，尤其是在TT8中。

为了深入了解AM共生对干旱胁迫的全局影响，我们对两个品种的根部进行了转录组分析。在去除接头序列和过滤低质量数据后，每个RNA-seq库产生3.4×10^7至6.4×10^7高质量读数，且Q30值超过93%。通过将这些读数与*Setaria italica*参考基因组v2.0比对，发现超过78.2%的读数成功映射，并且超过75.4%为唯一映射。为了验证转录组数据的可靠性，我们选取了10个差异表达基因（DEGs）进行qRT-PCR分析，结果与RNA-seq高度相关，证实了转录组分析的有效性。

主成分分析（PCA）显示，两个品种在不同处理下的表达模式存在显著差异，表明其对干旱胁迫的反应不同。在7天时，AMF处理的样本与对照组分离明显，尤其是在ISE42中，而14天时，两种处理下的样本表达模式趋于一致，表明长期干旱可能削弱AM共生对基因表达的影响。差异表达基因的分析显示，ISE42在7天时有3786个基因上调，1289个基因下调，而TT8则有172个基因上调和103个基因下调。这表明，在短期干旱条件下，ISE42对AM共生的反应更为显著。

基因本体（GO）富集分析进一步揭示了差异表达基因的功能。在ISE42中，上调基因主要富集于与ROS清除相关的通路，如过氧化氢代谢和细胞解毒，而下调基因则富集于与氢过氧化物反应相关的通路。此外，与茉莉酸（JA）信号通路相关的基因在ISE42中也受到AM共生的影响，尽管JA通常与生物胁迫相关，但其在协调干旱响应中也起着重要作用。在TT8中，上调基因主要与磷饥饿和营养水平相关，表明AM共生可能主要通过改善营养吸收来提升其耐旱能力。

钙信号通路在干旱胁迫中的作用也被关注。钙依赖蛋白激酶（CDPK）作为钙信号的解码者，能够激活下游信号级联。在ISE42中，AM共生显著上调了多个CDPK基因，而在TT8中则未见明显变化。这表明，ISE42可能通过CDPK依赖的钙信号通路增强其耐旱能力。

此外，AM共生还显著促进了ISE42中苯丙烷类生物合成和细胞壁生物合成相关基因的表达。这些基因的上调可能有助于增强根系结构，从而提高耐旱能力。相比之下，TT8在这些通路中的反应较弱，表明其对AM共生的依赖性较低。

综上所述，本研究揭示了AMF在不同宿主基因型中对干旱胁迫的调控机制，强调了宿主基因型在AM共生效果中的关键作用。通过比较耐旱和敏感品种的生理和分子反应，研究不仅为理解AM共生与植物抗旱性的关系提供了新的视角，也为未来作物改良中利用AMF提供了理论依据。这些发现表明，结合宿主基因型的精准微生物干预可能是提升作物抗旱能力的有效策略。