丛枝菌根真菌调控紫花苜蓿叶际微生物群落并增强植物对蚜虫-病原菌协同胁迫的抗性机制研究

本文揭示了丛枝菌根真菌（AMF）通过重塑紫花苜蓿叶际微生物群落结构，显著增强植物对豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）和苜蓿茎点霉（Phoma medicaginis）协同胁迫的抗性。研究发现AMF定殖提高了植物防御酶活性（PPO/TI）和激素水平（SA/JA），并通过维持生防微生物（如Golubevia和Acremonium）的丰度来优化叶际微生态。该研究为利用AMF协同微生物组提升作物抗逆性提供了新策略。

　　

引言：多营养级互作中的叶际微生态调控

植物与病原菌和植食性昆虫的互作是常见的生态关系，而丛枝菌根真菌（AMF）作为重要的共生微生物，能改变宿主植物对生物胁迫的敏感性。叶际微生物群落作为植物表面的重要生态位，通过抑制病害、促进生长和启动免疫系统等方式影响植物健康。然而，关于AMF如何调控叶际微生物组以帮助植物应对蚜虫和病原菌协同胁迫的机制尚不明确。

本研究以紫花苜蓿（Medicago sativa）为模式植物，通过构建包含AMF（Rhizophagus intraradices）、豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）和叶部病原菌（Phoma medicaginis）的人工中宇宙系统，采用高通量测序技术，探究了多营养级互作下叶际微生物群落的响应规律，并解析了其与植物防御酶系和激素信号的关系。

材料与方法：多因子互作实验设计

实验采用'陇东'紫花苜蓿品种，AMF菌剂为根内根孢囊霉（Rhizophagus intraradices），病原菌为苜蓿茎点霉（Phoma medicaginis），昆虫为实验室饲养的豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）。实验设8个处理组合：接种/不接种AMF（AM/NM）、接虫/不接虫（A+/A-）、接种/不接种病原菌（P+/P-），每个处理4次生物学重复。

在植物生长51天后进行蚜虫接虫处理（每株5头），60天后进行病原菌接种（6×10⁶ conidia/mL）。收获时测定植株生长指标、病害严重度、防御酶活性（POD/PPO/SOD/TI）和激素含量（JA/SA）。叶际微生物DNA提取后分别对真菌ITS1区和细菌16S rRNA V3-V4区进行扩增子测序，使用QIIME2和R语言进行生物信息学分析。

结果

AMF定殖促进植物生长并减轻病害

AMF接种使紫花苜蓿根系定殖率达到47%-54%，显著提高地上部和地下部生物量（分别增加58.89%和160.61%）。蚜虫取食使非菌根植株的病害发生率和病情指数分别增加32.52%和19.75%，而AMF接种使菌根化植株的病害参数显著降低23.55%和36.02%。

防御响应呈现胁迫特异性调控

病原菌单独侵染显著提高超氧化物歧化酶（SOD）活性和茉莉酸（JA）含量，但降低胰蛋白酶抑制剂（TI）水平。蚜虫取食单独处理提高水杨酸（SA）和TI含量。值得注意的是，AMF接种在蚜虫-病原菌协同胁迫下显著增强过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）活性，表明AMF能整合不同防御信号途径。

叶际微生物多样性对多重胁迫的响应

病原菌侵染单独使叶际真菌Chao1指数增加57.93%，但降低细菌群落均匀度（Pielou指数降低48.15%）。蚜虫-病原菌协同胁迫使非菌根植株真菌Chao1指数增加46.92%。主坐标分析（PCoA）显示蚜虫取食显著改变叶际真菌β多样性（PERMANOVA, p=0.005），而病原菌侵染同时影响真菌和细菌群落结构。

微生物群落组成发生显著重构

子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为叶际真菌优势门，在AMA+P+处理中子囊菌门相对丰度最高（84.90%）。变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）为细菌优势门，AMF接种使厚壁菌门丰度增加而变形菌门减少。在属水平上，Cyberlindnera在AMA+P+处理中相对丰度最高（33.53%），而Phlebia和Trichoderma在蚜虫取食后丰度降低。

AMF增强生防微生物丰度

差异丰度分析发现AMF接种显著提高Sistotremastrum、Golubevia和Phlebia等有益真菌的丰度。在蚜虫胁迫下，AMF使Geminibasidium、Mortierella和Kuraishia丰度增加；在病原菌胁迫下，Rasamsonia和Golubevia丰度显著提高。值得注意的是，生防细菌Exiguobacterium和Chryseomicrobium在菌根化植株中显著富集。

微生物-植物防御网络互作

共现网络分析显示真菌网络平均度为2.314，Connector节点为Coniochaeta；细菌网络平均度为18，节点主要属于变形菌门。随机森林模型表明JA含量与真菌群落均匀度指数相关性最强（R²=0.33）。结构方程模型（SEM）证实AMF通过激素信号调控叶际微生物多样性，而害虫和病原菌通过防御酶活性影响微生物群落组成。

讨论：AMF调控的叶际微生态防御机制

本研究揭示了AMF通过"rewiring"叶际微生物群落来增强植物对多重生物胁迫的抗性。病原菌侵染提高叶际真菌α多样性但降低细菌均匀度，这与病原菌诱导的"选择性生存"效应有关。蚜虫取食主要通过改变植物生理状态间接影响微生物β多样性。

AMF接种使真菌Chao1指数提高27.04%，在病原菌胁迫下进一步提高25.38%，这种促进效应与AMF增强的磷营养和防御酶活性密切相关。特别重要的是，AMF维持了较高的生防微生物（如Golubevia和Acremonium）丰度，其中Acremonium zeylanicum具有显著的杀蚜活性，而Golubevia通过调节植物防御响应和营养竞争来抑制病害。

植物防御策略呈现明显的"生长-防御权衡"现象：蚜虫取食诱导的"生长"型反应表现为SA和TI积累，而病原菌侵触发的"防御"型反应体现为JA和PPO升高。协同胁迫放大了防御信号，导致激素和防御酶协同上调。AMF通过精确调控不同防御途径，实现了对多重胁迫的优化响应。

微生物群落分析表明叶际真菌对害虫-病原菌互作更为敏感，而细菌主要通过物种更替响应胁迫。Proteobacteria在病原菌胁迫下占主导，而AMF接种使Firmicutes成为优势菌门，这种转变与AMF改变的植物营养状态密切相关。

结论与展望

本研究证实AMF通过重塑叶际微生物群落结构，增强紫花苜蓿对蚜虫-病原菌协同胁迫的抗性。AMF提高生防微生物丰度，优化防御酶和激素信号网络，并通过微生物-植物互作调控实现多重胁迫适应。研究结果为利用AMF协同微生物组提升作物抗逆性提供了新思路，对开发基于微生物组的绿色防控策略具有重要实践价值。未来研究应聚焦AMF与叶际微生物组的协同机制，及其在农业生态系统中的应用潜力。