综述：海藻糖-脱落酸通路在小麦-Piriformospora indica共生中的反馈循环：机制与干旱恢复力

本综述系统阐述了内生真菌Piriformospora indica（P. indica）与小麦共生中，通过海藻糖（Trehalose）-脱落酸（ABA）信号网络增强干旱抗性的新机制。作者揭示了真菌源海藻糖在根-菌界面分泌后，通过调控ABA生物合成基因（如NCED）、激活SnRK2-ABF信号模块及表观遗传重塑，协同提升水分利用效率（WUE）、光合稳定性及抗氧化防御（SOD/CAT/APX），为小麦抗旱育种提供了创新的生物互作策略。

　　

2. 为什么选择海藻糖？

内生真菌在胁迫下合成多种相容性溶质，其中海藻糖因其独特的多功能特性成为最优选择。与小麦干旱下主要积累的脯氨酸、甘氨酸甜菜碱等渗透调节物不同，海藻糖兼具物理保护与信号传导双重功能：它能稳定蛋白质和膜结构，通过玻璃化作用替代水分子维持细胞完整性；同时作为信号分子，通过海藻糖-6-磷酸（T6P）调控ABA及应激响应网络。真菌（如P. indica）不仅能将自身合成的海藻糖输出至宿主，还能诱导宿主渗透物积累，形成协同防御。比较分析显示，海藻糖在抗氧化、代谢效率及真菌介导的输送方面显著优于其他溶质，例如在干旱小麦中，Zopfiella erostrata接种使海藻糖增加30%，显著提升穗育性及种子重量。

3. P. indica的定殖动态

P. indica是一种根定殖的担子菌（Sebacinales目），通过与小麦建立互惠共生增强其生长及抗逆性。该真菌起源于印度塔尔沙漠，通过梨形厚垣孢子萌发形成菌丝，利用附着胞样结构及分泌的几丁质酶/纤维素酶穿透宿主根细胞壁，在根皮及皮层细胞形成细胞外菌丝网络，但不进入维管组织。定殖触发根部架构变化，如侧根形成及根毛密度增加，由真菌 auxin 生产及宿主 auxin 信号上调驱动，从而改善水肥吸收效率。共生引发系统性生理变化，包括促进生长（分蘖增加2.28倍、根生物量增18–25%、谷物产量增16.37%）、增强疾病抗性（减少Fusarium graminearum感染75–82%）及干旱韧性（膜稳定性指数+22%、相对含水量+15%）。真菌分泌效应子如PIIN_08944抑制水杨酸介导的基础免疫，同时提高吲哚-3-乙酸（IAA）和ABA水平，优化根增殖、气孔响应及干旱恢复。

3.1. P. indica中海藻糖的生产与分解

研究表明，P. indica在共生期间生产海藻糖，且该糖在定殖根中积累。在根-真菌界面，植物输出蔗糖，经宿主 invertases 和蔗糖合酶裂解为葡萄糖和果糖，真菌通过己糖转运蛋白优先导入。代谢组及转录组分析显示，定殖后中枢代谢重编程，涉及真菌海藻糖生物合成增强作为渗透保护剂及碳储存。P. indica具备代谢海藻糖作为碳源的能力，表明其拥有海藻糖生物合成及利用的酶途径。实验数据证实，定殖根中海藻糖水平升高，例如在拟南芥中，仅P. indica定殖根检测到海藻糖，且随时间积累（14 dpi时显著高于对照）。GC-MS分析也显示，定殖根中所有碳水化合物（包括海藻糖）丰度升高。在虎杖根中，P. indica接种使海藻糖从~5.7 μg/g增至~27.3 μg/g（约4.8倍）。海藻糖不被植物直接以完整二糖形式输入，而是通过植物质膜上的海藻糖酶（TREH）水解为葡萄糖单体，再经己糖转运蛋白（如HXT家族）吸收。水解产生的葡萄糖被同化入植物代谢，贡献于渗透调节、胁迫耐受及能量生产。

3.2. 内生真菌海藻糖增补与小麦有限生物合成的对比

内生真菌在干旱胁迫下表现出强大的海藻糖生物合成途径上调能力，而小麦本身在类似条件下难以维持充足的海藻糖生产。这种差异机制根源于海藻糖-6-磷酸合酶/磷酸酶（TPS/TPP）通路基因的差异调控及小麦在缺水下面临的代谢权衡。例如，在干旱胁迫下，P. indica定殖的大麦根中真菌TPS肽段增加3.5倍，海藻糖及T6P水平升高，表明真菌TPS/TPP酶机制完全激活。相反，小麦内源海藻糖生产受限：全基因组qRT-PCR分析显示，31个TaTPP基因中仅TaTPP1和TaTPP4在 prolonged drought后显著诱导（≥1.5倍），其余成员表现轻微上调或抑制。虽然RNA-seq在20% PEG诱导干旱下鉴定出8个TaTPP基因瞬时上调（达60倍），但该响应不持久，根部表达基本未变或下降。这种有限的海藻糖输出与次优渗透调节、Rubisco活化减少、ATP生成受损及氧化还原稳态不足相关，共同导致小麦在水分赤字下产量损失。

3.3. 海藻糖的移动及对小麦的影响

干旱期间，P. indica菌丝将TPS和TPP活性定位在根内菌丝细胞质及液泡，导致真菌海藻糖在缺水下过量积累。质外体海藻糖酶将海藻糖水解为两个葡萄糖分子，后者通过H⁺/己糖同向转运蛋白（如TaSTP家族）迅速吸收，为根代谢及渗透平衡供能。转录组分析显示，干旱下P. indica定殖小麦根中宿主海藻糖酶（TREH）及己糖转运蛋白基因上调，伴随根渗透物水平增强及水分保持改善。分泌的海藻糖及衍生葡萄糖作为相容溶质及碳源，稳定蛋白质及膜， fueling 糖酵解及磷酸戊糖途径，从而提升ATP生产及ROS清除。海藻糖作为“化学伴侣”在脱水期间保护细胞组分，其移动及细胞内分区由糖转运蛋白家族介导，包括ERD6-like、STP、SWEET及TMT转运蛋白，共同优化渗透平衡及胁迫信号。定殖及海藻糖积累对小麦根部界面及整体胁迫响应策略产生显著积极影响：在联合干旱及机械胁迫下，定殖小麦幼苗根长及体积增25–40%，吸收位点密度更高，相对含水量（RWC）及叶水势（LWP）改善；定殖小麦在严重干旱下CAT及APX活性更低，表明ROS损伤减少；外源海藻糖预处理降低电解质泄漏30–50%，上调淀粉/蔗糖代谢、T6P及TCA循环基因，重写根碳通量用于胁迫防御。实践上，P. indica处理小麦在胁迫下显示更高生物量及产量，例如在硼毒害下，接种显著增加营养生长、秸秆干重及粒数。

4. P. indica对ABA信号及海藻糖增补的影响

ABA信号通路是小麦干旱适应的关键调控网络， orchestrate 气孔关闭、渗透物生物合成、胁迫响应基因表达及代谢调整。ABA生物合成主要通过质体中9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCED）酶上调启动，产生ABA后由细胞内受体（如TaPYL4）感知，与PP2Cs（如TaPP2C2）互作，解除对SnRK2s（如SnRK2.6）的抑制，激活ABF/bZIP转录因子，诱导胁迫响应基因转录。下游靶标上调渗透保护物（脯氨酸、甘氨酸甜菜碱）、抗氧化酶（SOD、CAT）、通过保卫细胞离子通道调控的气孔关闭及根系统架构（RSA）改善。P. indica定殖通过上调NCED及PYR/PYL–PP2C–SnRK2–ABF模块激活ABA信号级联，例如TaWRKY10基因作为ABA信号通路关键介质，其表达受ABA及P. indica定殖诱导，导致ABA生物合成增加及下游信号组件激活。TaPYL4基因作为ABA信号正调控因子，增强渗透胁迫相关过程及保护基因表达激活。叶面施用ABA通过上调胁迫响应基因及改善生理属性（如WUE、叶绿素含量、抗氧化酶活性）显著增强小麦干旱韧性，整合ABA信号增强与P. indica共生可协同强化抗旱能力。在多种植物中，外源海藻糖通过与ABA信号互作增强干旱耐受性，例如番茄中海藻糖处理抑制ABA生物合成基因（NCED、CYP）但显著上调ABA信号基因（包括多个PYL受体及SnRK2激酶），促进气孔关闭及减少水分流失，即使整体叶ABA含量下降。类似地，拟南芥中ABA响应转录因子ABF2直接诱导TPP基因，偶联ABA信号至海藻糖合成，介导ABA触发根及气孔响应。T6P作为蔗糖可用性信号在发育籽粒中起作用，在谷物中操纵海藻糖代谢具有实际产量效应，例如在开花期表达玉米TPP保留 kernel set under drought及提高谷物产量。小麦中TaTPP基因（如TaTPP-6AL1）自然变异与千粒重相关，表明海藻糖代谢影响籽粒发育。

4.1. ABA对海藻糖生物合成基因（TPS/TPP）的调控

植物中海藻糖生物合成涉及两步酶过程：TPS催化UDP-葡萄糖转移至葡萄糖-6-磷酸（G6P），形成T6P；随后TPP水解T6P产生游离海藻糖。小麦中存在多个TPS及TPP基因，许多为胁迫响应。ABA诱导多个小麦TPP基因，例如TaTPP1和TaTPP4转录本在ABA处理后3–6 h内激增~4–8倍，启动子分析发现多个ABRE motif，与其ABA诱导一致。在拟南芥，ABF2直接结合TPPE启动子上调TPPE under ABA，TaTPP1/4数据表明谷物中类似机制。同时，转录组分析显示聚乙二醇诱导胁迫下调12个ABA受体基因（TaPYL/PYR）及上调20个ABA共受体磷酸酶（TaPP2Cs），典型反馈调控模式。有趣的是，高温胁迫下海藻糖预处理提高叶ABA水平却降低ABA生物合成基因TaNCED表达。综上，P. indica定殖通过上调关键生物合成及信号组件（NCED及PYR/PYL–PP2C–SnRK2和ABF级联）增强ABA信号，驱动海藻糖-6-磷酸磷酸酶基因（如TPPE、OsTPP3）转录诱导及根组织海藻糖积累。海藻糖作为正反馈信号稳定ABF2–TPPE互作及促进ROS介导的气孔关闭，减少蒸腾及优化光合效率。此海藻糖–ABA反馈环进一步 orchestrate 渗透保护基因、水通道蛋白及渗透物生物合成通路上调， culminating in 改善根吸水、控制气孔导度及维持光合能力，最终通过这些整合响应通过自放大海藻糖–ABA调控网络增强产量稳定性及干旱韧性。

4.2. 气孔披露及海藻糖-ABA信号角色

小麦根在干旱条件下合成ABA，转运至地上部诱导气孔关闭，减少籽粒灌浆期间蒸腾水分流失。基因型 with higher ABA敏感性展示更快气孔关闭，保存土壤水分及改善花后水分利用效率（WUE）达25%。ABA结合保卫细胞中受体（PYR/PYL/RCAR），抑制PP2C磷酸酶及激活SnRK2激酶（如OST1/SnRK2.6），这些激酶磷酸化离子通道如SLAC1（阴离子外流）及抑制KAT1（K⁺内流），导致膨压丧失及气孔关闭。研究显示，轻度干旱 priming（10% PEG-6000）的小麦植株在后续严重干旱（20% PEG-6000）下展示加速气孔关闭， priming 植株保卫细胞积累30–40%更多ABA及更快Ca²⁺内流，激活阴离子通道（如SLAC1）及K⁺外流。转录组分析揭示 priming 植株中ABA生物合成基因（NCED3）及胁迫响应转录因子（TaABF2）上调，增强干旱韧性。多个报告链接海藻糖至ABA介导的气孔调控：海藻糖处理植株在干旱下更紧关闭气孔及失去更少水分，归因于保卫细胞中ABA通路基因表达上调。在拟南芥，过表达海藻糖酶基因AtTRE1导致海藻糖水平降低及增强干旱耐受性，海藻酶过表达植株展示对ABA诱导气孔关闭增加敏感性，而海藻糖升高突变体表现受损气孔调控，证实海藻糖代谢直接调制保卫细胞ABA信号。海藻糖水解（经海藻糖酶）产生葡萄糖， priming ABA受体（如PYL/RCAR）增强气孔关闭 under drought。保卫细胞中减少ROS积累进一步支持此过程。在葡萄藤，外源海藻糖及T6P（1 μM）诱导气孔关闭独立于渗透效应，T6P disrupt ABA诱导保卫细胞ROS生产，表明海藻糖代谢物在气孔调控中直接信号角色。T6P抑制保卫细胞ROS生成（如H₂O₂），减少气孔开度，此效应区别于渗透调整及涉及与SnRK1激酶互作。P. indica定殖在玉米根中上调干旱响应基因，包括ABA生物合成（NCED3）及海藻糖代谢（TPS/TPP），定殖植株木质部汁液中更高ABA及改善干旱下气孔调控。真菌源信号（可能海藻糖） priming ABA合成，增强气孔关闭及根水力导度。

4.3. P. indica共生增强小麦光合作用

多个小麦研究报道，P. indica定殖提升光合能力及产量。在联合干旱及机械胁迫下，定殖小麦（cv. Chamran）维持更高叶绿素含量及水分状态，定殖植株显著 greater 叶相对含水量（RWC）及叶水势（LWP），及相应更高叶绿素水平，保存胁迫下光合功能。在重金属胁迫下，P. indica接种小麦更高叶绿素含量及光合性能指数 than controls exposed to cadmium。这些研究 attribute 改善光合作用至定殖植株更好根生长及养分吸收， leading to 胁迫下持续叶光系统。在田间试验，P. indica种子浸泡接种提高谷物产量~16%（16.37 ± 1.63%），主要通过生产更多每穗粒数及更重穗，处理植株平均约41.4粒/穗 versus 31.7 in controls，表明定殖加速营养生长及分蘖，增加光合源能力及籽粒生产。代谢组分析显示，P. indica提升小麦中初级代谢通路（糖、氨基酸），有效提高细胞渗透平衡。在此背景下，海藻糖可能重要：尽管缺乏小麦特定海藻糖测量，在拟南芥中海藻糖仅积累在P. indica定殖根而非对照。类比，真菌生产或宿主生产海藻糖在小麦根中可能作为渗透保护剂，帮助维持胁迫下叶绿体功能及光合速率。

4.4. 小麦–P. 印度共生中的激素及渗透物响应

量化P. indica定殖小麦中植物激素变化的研究稀少。没有同行评审报告直接测量细胞分裂素、乙烯、茉莉酸（JA）或 auxin 水平在P. indica小麦中。在其他物种，P. indica已知与激素通路互作，例如它在培养中生产吲哚-3-乙酸（IAA,一种 auxin），并能调制宿主 auxin/细胞分裂素信号——但类似小麦数据不可用。因此，小麦中细胞分裂素或JA在P. indica下任何变化必须从非小麦系统推断。相反，小麦中渗透物积累在P. indica下部分记录：镉胁迫小麦接种P. indica积累显著更多游离脯氨酸 than non-inoculated controls，脯氨酸是关键渗透物保护胁迫下细胞，其升高在P. indica处理小麦表明增强渗透调整。研究还注意到处理小麦中更高抗氧化酶活性及叶绿素色素。其他渗透物在小麦–如甘氨酸甜菜碱或可溶性糖–未直接测量在小麦–P. indica系统中。然而，通常P. indica常诱导渗透物积累：例如，定殖番茄及其他植物显示升高脯氨酸、甘氨酸甜菜碱及相关溶质水平。海藻糖本身是胁迫关联糖；尽管缺乏特定小麦数据，其可能角色由其他模型建议。 notably，一研究观察海藻糖及棉子糖仅变得可检测在P. indica定殖植物根中，随时间积累。在小麦，任何真菌生产或植物生产海藻糖在共生期间可能类似贡献渗透平衡及胁迫保护。

4.5. P. indica影响小麦中的表观遗传及遗传调控机制

P. indica定殖小麦根似乎通过表观遗传重编程在宿主中建立持久胁迫记忆。在 primed 植株，胁迫相关基因保持准备激活， often through 稳定DNA甲基化或组蛋白标记在干旱响应位点。DNA甲基化是关键表观遗传修饰调控干旱胁迫响应基因表达。在小麦，抗旱品种展示特定甲基化模式关联增强胁迫耐受，例如抗旱品种Bolani在严重胁迫下显示降低甲基化水平， particularly in CG及CHG contexts，关联胁迫响应基因如磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）及谷胱甘肽S-转移酶（GST）激活。此动态DNA甲基化调控对抗旱机制激活至关重要。组蛋白修饰，如乙酰化及甲基化，也在干旱响应中起重要角色。这些修饰改变染色质结构， thereby 影响胁迫响应基因可及性。例如，组蛋白乙酰化链接至ABA信号及胁迫防御通路基因激活在小麦干旱条件下。ABA priming 显示通过调制表观遗传机制增强小麦干旱耐受性。ABA诱导响应在小麦涉及热休克转录因子如TaHsfC3–4上调，与其他转录因子互作调控干旱响应基因。此外，ABA priming 改变其他植物激素平衡，如吲哚乙酸（IAA）及赤霉酸（GA3），进一步影响胁迫耐受。ABA信号被研究为上调由P. indica-小麦共生。系统定殖小麦根由有益真菌Piriformospora indica似乎“prime”宿主通过表观遗传重编程胁迫响应基因。例如，小麦幼苗接种Sebacinales内生菌（SMCD 2206,一P. indica相关菌株）维持DNA甲基化谱 under drought类似未胁迫植株，及相应地显示更高水分赤字下谷物产量。在分子水平，P. indica触发强诱导经典胁迫记忆调控因子：共表达分析揭示基因编码海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPP）及DREB1型转录因子（ among others）高度上调在定殖植株。海藻糖本身是已知 priming 信号在小麦（它增强气孔关闭及激活防御基因，表明真菌海藻糖生产贡献表观遗传 priming）以及持续P. indica共生似乎重塑小麦染色质在关键干旱响应位点（ via targeted DNA甲基化及 likely 组蛋白/sRNA修饰），有效预设置ABA、抗氧化及渗透保护通路。此稳定表观遗传 priming 启用更快、更强激活干旱耐受程序及帮助保护水分胁迫下籽粒灌浆。总之，P. indica可能 prime 小麦通过防止干旱诱导表观遗传漂移，有效硬连线胁迫耐受基因在活跃状态。P. indica上调组蛋白乙酰转移酶（HATs）在小麦根，提升H3K9乙酰化（H3K9ac）在胁迫记忆基因如TaP5CS（脯氨酸生物合成）及TaSOD（抗氧化防御）及表观遗传调控基因如TaP5CS（脯氨酸合成）、TaBADH（甘氨酸甜菜碱）、TaNCED3（ABA生物合成）、及各种ROS清除酶关联保存光合功能及达15–20%产量增益 under drought。真菌抑制H3K27me3（一抑制标记）在位点编码水通道蛋白（TaPIPs）及扩张蛋白（TaEXPs），增强根水力导度及细胞壁柔性 during土壤干燥。表观遗传表达 resultant from真菌共生与作物植物其他 than小麦更广泛研究， limited data available in小麦 context。这突出需要更全面及大规模调查聚焦小麦；一大量消费 yet环境挑战作物。

5. 解决小麦-P. indica共生中海藻糖研究中的差异与局限

小麦中海藻糖代谢的有限记录， particularly在与P. indica共生关系中， contrast with其在其他作物（如豆科、水稻、大麦）及模型植物如拟南芥中充分表征的角色。此差异 arise from生物、方法学及研究优先级因素汇合。小麦展示内源海藻糖生物合成在干旱下固有局限 due to TaTPS及TaTPP基因转录抑制，这些基因对海藻糖生产关键。不像豆科或复活植物，其中海藻糖积累是主要渗透保护策略，小麦优先选择替代渗透物如脯氨酸及甘氨酸甜菜碱 under stress，可能 due to能量权衡或进化适应。例如，外源海藻糖应用在小麦 under热胁迫减少根生长及 disrupt 激素信号，表明代谢不兼容性或毒性阈值未在水稻或拟南芥中观察。此外，小麦六倍体基因组使海藻糖通路遗传研究复杂化， as功能冗余 among同源物可能 obscure 表型效应。大多数机制研究 on海藻糖在植物-微生物共生聚焦豆科（如大豆、Cajanus cajan）或模型植物如拟南芥及水稻，其中遗传工具及 established协议简化实验。例如，根瘤菌-豆科共生充分记录 for海藻糖介导胁迫耐受，而类似研究在小麦-P. indica系统稀少。此偏见反映历史研究优先级 favoring固氮作物或遗传易处理物种， leaving小麦——一非豆科具复杂遗传 understudied。真菌源海藻糖转移至小麦根涉及复杂共生界面，如细胞外菌丝及质外体交换机制，技术挑战量化。尽管P. indica定殖通过改善水分保持及ABA信号增强小麦干旱韧性，海藻糖运输直接证据保持间接。相反，研究在拟南芥及西兰花成功追踪海藻糖通量使用同位素标记或转基因报告者，方法较少应用在小麦 due to其更大尺寸及 slower转化协议。P. indica调制宿主表观遗传抑制防御响应及增强胁迫耐受，但小麦特定表观遗传通路链接海藻糖代谢 poorly表征。例如，真菌诱导去甲基化在胁迫响应基因启动子（如TaP5CS、TaBADH）在大麦关联渗透物合成，但类似机制在小麦推断而非证明。此外，ABA-GA串话关键 for共生建立在大麦 less理解在小麦，其中GA信号突变体展示降低定殖效率但不清链接海藻糖。小麦研究常优先产量相关性状（如籽粒大小、疾病抗性） over探索研究 on渗透物动态。尽管海藻糖工程在水稻及玉米显示田间水平成功，小麦易受产量惩罚 under代谢工程（如外源海藻糖生长抑制） discourages类似投资。此外，资助机构可能偏好作物具 established生物技术框架， leaving小麦共生海藻糖通路 underexplored。P. indica广泛宿主范围对比专业根瘤菌-豆科互作，可能稀释其代谢贡献在小麦。尽管P. indica通过根际修饰及植物激素生产增强小麦干旱耐受，其海藻糖生物合成可能次要其他机制（如土壤团聚、养分溶化）。对比，Trichoderma spp.在西兰花直接分泌海藻糖作为防御 elicitor，一路径尚未确认在小麦-P. indica系统。解决这些差异需要许多研究 on基因组学、转录组、共生调查及田间试验。多组学分析（转录组、代谢组） of小麦-P. indica互作 under drought以映射海藻糖相关通路。靶向编辑 of TaTPS/TPP同源物以绕过内源代谢约束。同位素追踪或荧光标记以可视化海藻糖通量在小麦根。评估真菌接种剂产量结果 under变化干旱强度以验证实验室基础发现。通过 bridging这些缺口，研究者能解锁海藻糖 full潜力在小麦韧性，对齐机制洞察与农业关联。

6. 结论

与P. indica共生 emerge作为关键生物策略增强小麦抗旱胁迫韧性。通过激活ABA信号级联 particularly通过上调NCED生物合成酶及PYR/PYL–PP2C–SnRK2–ABF转录模块，此共生诱导海藻糖-6-磷酸磷酸酶表达， leading to根组织海藻糖积累。海藻糖， in turn，强化ABA响应基因网络，促进气孔调控、渗透物生物合成、抗氧化活性及改善水分利用效率。此整合海藻糖-ABA环 underlie增强光合能力、持续生长及产量稳定性 of小麦 under水分赤字条件。超越机制洞察，综述强调P. indica功能作为代谢工程师及 priming剂，协调表观遗传重塑、渗透物稳定及养分平衡。这些过程定位真菌作为有前途生物接种剂 for可持续农业， especially在区域 where小麦生产高度脆弱 to气候变率。尽管如此，关键缺口 remain。更多田间转化试验及实验基于海藻糖在小麦–P. indica系统 needed，及互玩 between海藻糖信号、表观遗传调制及激素串话需要进一步阐述及更深调查。小麦复杂性及 slower转化协议希望扩展分子解剖应用（如转录组、代谢组、蛋白质组及表观基因组）机制追踪（如同位素标记、荧光报告者、实时成像）以直接追踪海藻糖通量、报告系统、及精确基因编辑对比模型植物 for未来研究 on此领域或区域。因此，尽管P. indica介导海藻糖生物合成提供激动潜力，其实际部署要求进一步验证。总之，P. indica–小麦共生阐释一强大自然联盟 where海藻糖功能作为结构保障及信号枢纽。 Bridging基础机制研究 with转化田间应用将是 pivotal in转化此共生成为气候智能农业基石。