根瘤菌共生诱导光果甘草中甘草酸(Glycyrrhizin)的爆发式合成机制及其药用栽培应用

本研究针对光果甘草(Glycyrrhiza glabra)栽培周期长、有效成分甘草酸(Glycyrrhizic acid, GL)含量不足的产业难题，通过接种特异根瘤菌Mesorhizobium sp. J8，成功建立高效共生体系。研究发现接种30天后即显著提升叶片SPAD值(叶绿素含量指标)和GL合成关键基因(CYP88D6/CYP72A154/CSyGT)表达；150天后使根部生物量激增，GL含量达4%(超药典标准2倍)，单株产量提高6倍。机制解析表明，根瘤菌通过激活茉莉酸(JA)信号通路(GgMYC2/GgJAR1基因上调)促进GL合成。该成果为缩短药用甘草栽培周期提供了突破性技术方案。

　　

在全球传统医药和食品添加剂市场持续扩张的背景下，作为重要药用植物的光果甘草面临严峻的供应危机。这种豆科植物所含的甘草酸(Glycyrrhizic acid, GL)是其核心药效成分，日本药典规定药用甘草根部GL含量需≥2%。然而当前栽培技术需3年以上才能达标，且野生资源因过度采挖导致荒漠化加剧。更棘手的是，植物次生代谢通常存在"生物量与有效成分"的负相关关系——环境胁迫虽能提升GL含量，但会抑制生长。如何破解这一"鱼与熊掌不可兼得"的困局，成为药用植物栽培领域的重大挑战。

日本佐贺大学联合北海道医疗大学的研究团队另辟蹊径，利用豆科植物与根瘤菌的天然共生特性开展创新研究。他们前期从光果甘草根瘤中分离出Mesorhizobium sp. J8菌株，虽在甘草属其他种中验证能促进生长，却在光果甘草上出现"接种失效"现象。这项发表在《Journal of Natural Medicines》的研究通过调整氮营养条件，成功建立高效共生体系，并揭示出根瘤菌通过"氮营养供给-茉莉酸信号传导"双途径协同提升GL产量的创新机制。

研究采用SPAD叶绿素测定、乙炔还原法(ARA)检测固氮活性、qRT-PCR分析基因表达、HPLC定量GL含量等关键技术。特别设计10μM/100μM甲基茉莉酸酯(MeJA)处理实验验证信号通路，并创新性地将根系分为不定根和侧根分别进行基因表达谱分析。

【确认J8菌株在光果甘草上的结瘤条件】
突破性地发现1 mM KNO₃的添加是建立共生关系的关键，推翻传统"无氮培养基更利结瘤"的认知。接种30天后，处理组结瘤数量呈数量级优势（图1），乙炔还原活性(ARA)显著增强（图2H），证实固氮功能的有效激活。

【30天接种的生理与分子响应】
虽未显现生物量差异，但SPAD值显著提升（图2E），暗示氮同化增强。分子层面，GL合成通路三大关键基因呈现差异化上调：不定根中CYP72A154显著激活（图3B），侧根中CYP88D6、CYP72A154和CSyGT均显著上调（图3），预示GL合成引擎已启动。

【150天接种的爆发式效应】
最令人振奋的是根部表型变化——接种组产生直径>2 mm的膨大主根（图5D-G），根部干重显著增加（图4D）。GL含量飙升至4%（图8B），单株产量达对照6倍（图8A）。基因表达分析显示三大合成基因上调幅度达17-32倍（图7），形成"生物量-GL含量"双赢格局。

【JA信号通路的枢纽作用】
机制研究发现，接种30天即诱导JA通路标志基因GgJAR1和GgMYC2显著上调（图9）。外源MeJA处理证实，100μM浓度使CYP72A154和CSyGT表达量激增（图10），构建起"根瘤菌感染→JA信号激活→GL合成基因上调"的完整信号链条。值得注意的是，CYP88D6对MeJA无响应，提示存在其他调控路径的并行作用。

这项研究开创性地证明，根瘤菌共生可协同解决药用植物栽培中的"生长-次生代谢"矛盾。其科学价值体现在三方面：首先，阐明KNO₃对结瘤的正向调控，颠覆传统认知；其次，揭示JA信号通路在GL合成中的核心地位；最重要的是，仅用150天实现GL含量达标，将栽培周期缩短至传统方法的1/7。技术应用上，J8菌株接种配合优化氮管理，可望构建新型栽培体系。未来研究需深入解析CYP88D6的调控机制，并考察共生体系对其他活性成分（如黄酮类化合物）的影响。该成果为濒危药用植物的可持续利用提供了范式，对保障传统医药原料安全具有战略意义。