《Heliyon》：Study on root architecture of tropical chili peppers (Capsicum frutescens) inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi
编辑推荐：
本研究针对热带辣椒(Capsicum frutescens)生产中面临的生物/非生物胁迫问题，通过系统分析50个基因型幼苗根系解剖特征与成熟期丛枝菌根真菌(AMF)定殖的关联机制。研究发现根系皮层细胞复合体宽度与AMF定殖率呈显著正相关(P<0.001)，响应型基因型通过AMF共生显著改善根系构型（细根比例增加691.99%），为选育高共生效能的辣椒品种提供了关键解剖学指标。该成果为可持续农业发展提供了理论依据和实践路径。
在全球辛辣食品需求激增的背景下，热带辣椒(Capsicum frutescens)作为高经济价值作物面临严峻挑战——据联合国粮农组织(FAO)统计，2023年全球鲜椒产量已达5544万吨，但热带农业土壤普遍存在磷、氮等营养元素匮乏问题。传统施肥策略不仅增加生产成本，更带来环境污染风险。在这一背景下，丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF)作为一种环境友好的生物调控手段，展现出通过改善植物营养吸收和根系结构来提升作物生产力的多重潜力。
然而，AMF与宿主的共生效果存在显著基因型差异，其定殖效率深受根系特征的影响。特别是根系皮层作为真菌侵染的主要场所，其结构特征如何调控AMF定殖过程尚不明确。为此，印度尼西亚加查马达大学的研究团队在《Heliyon》发表了创新性研究，通过系统解析50个热带辣椒基因型的根系解剖特征与AMF互作机制，揭示了根系皮层宽度对菌根共生的决定性作用。
研究团队采用了多学科交叉的技术路线：首先利用Alpha晶格实验设计安排50个基因型的盆栽试验，通过石蜡切片和ImageJ软件量化30日龄幼苗的根系皮层细胞复合体宽度；其次采用Zeolite载体接种AMF consortium（含Glomus sp.、Funneliformis sp.等7个属），通过改良Phillips-Hayman染色法和Fiji软件分析10周龄植株的菌根定殖率；最后结合WinDIAS根系扫描系统和三维架构参数（细根/粗根长度、表面积、体积等），全面评估AMF对根系形态构型的重塑作用。统计分析采用R Studio 3.6.2进行Scott-Knott聚类、Pearson相关性和结构方程模型(SEM-PLS)分析，通过SAS 9.4完成逐步回归建模。
3.1 热带辣椒基因型根系解剖特征
50个基因型的幼苗根系皮层宽度呈现连续变异（29.40-213.50μm），Scott-Knott检验将其划分为13个显著差异组。值得注意的是，后期被鉴定为AMF响应型的基因型，其皮层宽度集中分布于111.96-213.50μm区间，而非响应型仅29.40-95.93μm，预示幼苗期解剖特征可能预测成熟期共生潜力。
3.2 AMF接种对根系形态参数的调控
AMF共生显著改变了根系形态格局：16个基因型的总根表面积显著增加（P<0.05），11个基因型的根长度显著提升，14个基因型的根体积明显扩大。特别是根系组织密度(Root Tissue Density, RTD)和根细度(Root Fineness, RF)等形态指标在响应型基因型中呈现规律性变化，表明AMF通过优化根系空间分布策略增强资源获取效率。
3.3 根系构型的重组特征
最显著的改变体现在根系构型重组上：27个基因型的细根（直径≤1.0mm）表面积显著增加，24个基因型的细根长度明显延长。与之相反，19个基因型的粗根长度显著减少。这种"细根增殖-粗根缩减"的模式使AMF接种组的细根/粗根表面积比达到46.70-92.43%，显著高于对照组的7.70-52.93%。如图4所示，响应型基因型C-08和C-30在AMF接种后，细根网络发达程度呈几何级数增长。
3.4 关键关联机制解析
Pearson相关性分析揭示，皮层宽度与AMF定殖率呈极显著正相关（r=0.871, P<0.001），与基因型响应程度显著相关（r=0.732, P<0.001）。SEM-PLS路径分析进一步证实，皮层宽度对AMF定殖的直接路径系数达0.657（P<0.001），而AMF定殖率又通过0.600的路径系数（P<0.001）调控基因型响应。逐步回归模型Y=43.888+0.397CW+0.740RLFR+0.321RTD（R2=0.823）表明，皮层宽度、细根长度和组织密度共同解释了82.3%的AMF定殖变异。
讨论部分深入阐释了皮层宽度的生态意义：较宽的皮层细胞为丛枝菌(Arbuscules)和菌丝(Hyphae)提供了更充裕的定殖空间（图8），这与前人对植物-微生物互作的研究一致。值得注意的是，研究提出了创新性的早期预测方案——通过30日龄幼苗的皮层宽度测量，可提前预判基因型的AMF响应潜力，这比传统的Phillips-Hayman染色法提前了40天，为育种实践提供了高效筛选工具。
研究结论强调，热带辣椒与AMF的共生效能主要由根系解剖特征决定，特别是皮层细胞复合体宽度。AMF通过诱导根系构型重组（细根比例最高增加691.99%）显著增强养分获取能力。该研究不仅为理解植物-微生物互作提供了新视角，更建立了将根系解剖学指标应用于育种实践的创新路径，对推进热带地区可持续农业发展具有重要战略意义。特别是提出的"幼苗皮层宽度预测模型"，有望成为辣椒育种中筛选高效AMF共生基因型的标准方法，为减少化学肥料依赖、提升农业生态系统韧性提供科技支撑。
