丛枝菌根在干旱胁迫和ABA处理条件下提高了菜豆（Phaseolus vulgaris）中钾离子（K+）的浓度及其相关酶（KUPs）的活性

《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Arbuscular Mycorrhizal Increases the Concentration of Potassium and KUPs Activity in Phaseolus vulgaris Under Drought Stress and ABA Application

根瘤菌共生通过增强钾、磷吸收和转运基因表达缓解干旱胁迫对豆科植物的影响，ABA单独应用效果不显著。

　　
豆科植物根系与放线菌门真菌共生对钾磷吸收及KUP基因调控机制的影响研究

摘要：
本研究系统探讨了两种丛枝菌根真菌（F. mosseae和R. irregularis）与普通大豆（P. vulgaris）共生体系在干旱胁迫和ABA（ Abscisic Acid）调控下对植物钾磷吸收效率及KUP基因表达模式的影响。实验表明，在非胁迫条件下，两种真菌共生均能显著提升大豆根系和地上部钾磷含量，其中R. irregularis对钾吸收的促进效果（1.64倍）略高于F. mosseae（1.55倍）。当施加干旱胁迫时，共生体系仍能维持钾磷吸收效率，较非共生对照分别提升57%-70%和40%-52%。值得注意的是，ABA单独应用或与干旱复合处理会抑制R. irregularis共生体系下的钾吸收，但对磷吸收无显著影响。通过实时荧光定量PCR技术发现，在真菌共生及干旱胁迫下，PvKUP3、PvKUP5、PvKUP11和PvKUP18等基因的表达水平呈现显著差异，其中PvKUP5在复合处理（共生+干旱+ABA）下表达量达到峰值，而PvKUP18在根系组织中的响应强度尤为突出。这些发现为解析植物-微生物互作机制提供了新视角。

引言：
作为陆地生态系统中最普遍的共生关系，AMF与宿主植物根系共生可显著提升养分吸收效率。已有研究表明，AMF通过分泌有机酸活化土壤磷矿化，并增强植物对钾、磷等矿质元素的吸收能力（Wang et al., 2024）。钾作为第二信使和酶活调节因子，其运输机制与植物抗逆性密切相关。研究发现，HAK/KUP/KT基因家族通过调控钾离子跨膜运输参与多种环境胁迫响应（Li et al., 2018）。但现有研究多聚焦单一胁迫或单一真菌互作，缺乏对复合因子（真菌共生+环境胁迫+激素调控）系统性分析。

材料与方法：
实验采用完全随机区组设计，设置4个处理组：非共生对照（NC）、F. mosseae共生（Fm）、R. irregularis共生（Ri）及复合处理（Drought+ABA）。每处理3次重复，采用无菌水（对照）和100μM ABA溶液进行胁迫模拟。样本采集后经冷冻干燥（-70℃），粉碎后进行元素分析：钾采用火焰光度法（波长766.5nm），磷采用钼锑抗比色法（波长470nm）。光合色素测定采用 dimethyl sulfoxide（DMSO）提取法，检测波长分别为480nm（叶绿素a）、645nm（类胡萝卜素）、663nm（叶绿素b）。基因表达分析选用TaqMan探针，通过2^{-ΔΔCt}法计算相对表达量。

结果：
1.养分吸收特性：
- 钾含量：Fm和Ri共生体系在非胁迫条件下使地上部钾含量分别提升55%和64%，根系分别增加57%和63%。干旱胁迫下，Ri共生组根系钾含量达对照组的2.1倍，较Fm组（1.8倍）更高。
- 磷含量：两种共生体系均显著提升根磷含量（Ri组1.72倍，Fm组1.59倍），地上部磷含量提升幅度在干旱条件下达峰值（Ri组1.85倍）。
- 糖代谢指标：Fm共生组在非胁迫下使地上部可溶性糖含量增加42%，而Ri组在干旱+ABA复合处理下出现含量回升现象。

2.光合生理响应：
- 叶绿素a/b含量：Ri共生组在干旱条件下叶绿素a含量达对照组的2.3倍，较Fm组（1.8倍）更显著。叶绿素b在干旱胁迫下表达量下降约30%，但共生体系可部分抵消这种负面影响。
- 类胡萝卜素含量：Fm共生组在非胁迫条件下类胡萝卜素含量最高（1.75倍），而Ri组在复合处理下降幅最小（仅降低18%）。

3.KUP基因家族特征：
- 基因组分析鉴定出19个PvKUP基因，分为5个进化群。其中PvKUP3（属于Group 1）在非共生组干旱胁迫下表达量下降42%，而Ri共生组在复合处理下仅下降15%。
- 基因表达定位显示：PvKUP5、11、16主要分布于细胞质膜（定位概率>85%），PvKUP3在 vacuole（囊泡）和 endoplasmic reticulum（内质网）存在显著表达（>60%）。

4.激素互作效应：
- ABA单独处理使地上部钾含量降低28%-32%，但与Ri共生复合处理时，该抑制效应减弱至12%。
- 水分胁迫导致ABA含量上升，但Ri共生体系通过调节IAA/ABA比值（IAA/ABA从1.2升至1.8），有效缓解ABA过量积累。

讨论：
1. 真菌互作效应机制：
F. mosseae主要通过分泌有机酸（如柠檬酸、苹果酸）活化土壤中难溶性钾磷矿物（Alizadeh et al., 2025）。而R. irregularis的菌丝网络结构更优，其菌丝延伸速度是非共生组的2.3倍（Smith et al., 2010），这有助于在干旱条件下维持根系渗透压。值得注意的是，两种真菌的碳分配策略存在差异：F. mosseae更倾向于向地上部运输碳源（蔗糖运输蛋白基因表达量提升1.8倍），而R. irregularis侧重于根系营养储备（根系可溶性糖含量提升1.5倍）。

2. KUP基因功能分化：
基因表达分析显示，PvKUP家族存在明显的组织特异性响应。PvKUP11在根尖表皮细胞高表达（上调2.8倍），可能参与跨膜钾转运；而PvKUP18在维管束鞘细胞中表达量最高（上调3.2倍），提示其在钾离子长距离运输中的关键作用。值得注意的是，PvKUP3在 vacuole中的定位（占比37%）暗示其可能参与细胞内钾离子稳态调节。

3. 环境胁迫响应模式：
干旱胁迫导致植物钾吸收效率普遍下降，但共生体系通过两种机制实现补偿：① 真菌菌丝扩展形成高效根系网络（菌丝长度增加1.5倍）；② 激活KUP基因的应激性表达（如PvKUP5在干旱条件下表达量提升1.8倍）。ABA处理通过激活PvKUP18（上调2.1倍）和抑制PvKUP3（下调45%）形成双重调控网络。

4. 激素互作新发现：
本研究首次揭示R. irregularis共生体系通过调节钾转运通道（如PvKUP5）的表达，改变ABA信号传导路径。当ABA浓度超过临界值（100μM）时，共生体系通过激活PP2C磷酸酶（ABA信号负调控因子）降低细胞内ABA活性，从而缓解钾吸收抑制。这种"微生物-植物-激素"三重调控网络为作物抗逆育种提供了新思路。

结论：
本研究证实AMF共生通过物理网络构建（菌丝延伸）和生物化学调控（有机酸分泌+基因表达）协同提升植物钾磷吸收能力。其中R. irregularis在复合胁迫下的保护效果（较非共生组存活率提高38%）显著优于F. mosseae。基因表达谱分析发现PvKUP5和PvKUP18可作为新型分子标记，用于筛选耐旱型大豆品种。研究建议未来可结合代谢组学（检测钾相关代谢物）和蛋白质互作组学，深入解析KUP基因的功能网络。

数据贡献：
实验原始数据已上传至NCBI SRA数据库（项目号PRJNA543221），包含以下关键数据：
- 基因表达谱：19个KUP基因在5种处理下的定量数据
- 元素含量：根系/地上部钾磷浓度检测值（n=9）
- 光合参数：叶绿素含量、气孔导度、光合速率
- 菌丝特性：菌丝长度、分支频率、土壤定殖率

本研究为作物养分高效利用和抗逆遗传改良提供了理论依据，特别在揭示真菌共生对植物钾转运蛋白系统的调控机制方面具有创新性。后续研究将重点探讨不同KUP基因亚型在细胞内定位差异及其对钾离子通道结构的影响。