本土丛枝菌根真菌（AMF）种间差异调控Maled Phai水稻（Oryza sativa L.）生长、干旱韧性与籽粒抗氧化相关生物活性化合物积累

《Journal of Agriculture and Food Research》：Species-specific effects of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi on growth, drought resilience, and grain bioactive compound accumulation in Maled Phai rice ( Oryza sativa L.)

　　

本土丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）对Maled Phai水稻（Oryza sativa L.）生长、干旱恢复力及籽粒生物活性化合物积累的种间特异性效应。AMF在中等干旱（66% AW）下维持水稻表现。AMF增强籽粒中抗氧化相关生物活性化合物。AMF通过抗氧化防御降低氧化损伤。G. margarita RE-KKU-010表现出最大总体性能。AMF同时改善籽粒功能品质和干旱恢复力。

论文解读：水稻（Oryza sativa L.）是世界主要谷物和能量来源，也是抗氧化相关植物化学物的重要来源。Maled Phai具有深紫褐色籽粒，与花青素等生物活性抗氧化物质积累相关，作为功能食品受到关注。但干旱和水资源短缺威胁水稻生产与籽粒品质。干旱影响植物生理、形态和生化过程，降低株高、叶扩展、茎直径和生物量，并可能通过改变灌浆等影响有色稻米籽粒品质。传统措施如改进灌溉、耐旱品种和化学投入可能成本高且环境不可持续。丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）可与陆生植物根系形成互惠共生，增强养分和水获取，尤其磷吸收，从而提高非生物和生物胁迫耐受性。干旱下AMF可改善水养分获取、增强抗氧化防御、减少氧化损伤；可刺激超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）和过氧化氢酶（catalase，CAT），促进活性氧（reactive oxygen species，ROS）解毒；还可能促进酚类、黄酮、花青素等生物活性化合物积累，并影响根际微生物群落。已有研究多强调植物生长和生理响应，对水分限制下籽粒抗氧化相关生物活性化合物关注较少；不同AMF种功能不同，跨AMF种和不同干旱强度的比较证据有限。Maled Phai富含抗氧化相关生物活性化合物，适合评估AMF接种能否同时维持植物表现和籽粒生物活性化合物。因此，研究人员旨在评估选定的本土Acaulospora和Gigaspora分离株在三种水分水平下对Maled Phai水稻生长、生理响应、籽粒产量、抗氧化防御和生物活性化合物积累的影响。研究假设AMF接种可缓解干旱诱导的生理和氧化胁迫，增强Maled Phai水稻籽粒中抗氧化相关生物活性化合物积累，并存在种间差异。该研究有望澄清不同水分条件下AMF种间响应，鉴定有前景菌株，为后续田间验证和可持续AMF策略提供基础。

研究人员开展了AMF分离、鉴定及温室试验。结论为：AMF在干旱下增强水稻生长、生理表现、抗氧化防御和抗氧化相关生物活性化合物积累；G. margarita RE-KKU-010整体表现最佳，尤其在中等干旱（66% AW）下维持与充分供水相近的生长和生理表现；AMF可同时改善干旱韧性和籽粒功能品质。其意义在于为Maled Phai水稻在水资源限制下维持生产力和籽粒品质提供候选AMF接种剂。

为开展研究，研究人员从泰国东北部Khon Kaen、Roi-Et和Buriram水稻种植区采集根际土壤，经湿筛倾析法分离AMF孢子，以玉米为宿主盆栽扩繁，结合形态学和SSU-ITS-LSU rDNA测序鉴定菌株。以Maled Phai水稻进行温室因子随机完全区组试验，设100%、66%、33%可用水（available water，AW）三种水平和AMF接种，测定生长、光合、根系结构、定殖、产量、N/P/K、籽粒总酚（total phenolic content，TPC）、总花青素（total anthocyanin content，TAC）、总黄酮（total flavonoid content，TFC）、DPPH自由基清除及叶片过氧化氢（hydrogen peroxide，H₂O₂）、丙二醛（malondialdehyde，MDA）、SOD、POD、CAT和脯氨酸。采用双因素方差分析、Tukey检验、相关分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）和层次热图聚类。

结果部分：3.1 盆栽培养下AMF种类的分离与扩繁。研究人员从Khon Kaen、Roi-Et和Buriram水稻根际土壤共分离10株AMF。总孢子丰度为1.00–102.64 spores g^?1 soil，RE-KKU-009最高；根定殖为26.67%–84.00%，RE-KKU-009和BR-KKU-002最高。说明不同分离株孢子密度和根定殖能力不同。3.2 选定AMF分离株鉴定。根据孢子形状、色素、大小、壁结构和球状柄等形态，三个选定菌株属Acaulospora和Gigaspora。SSU-ITS-LSU rDNA测序确认RE-KKU-008为Acaulospora citrusnsis，RE-KKU-009为Acaulospora mellea，RE-KKU-010为Gigaspora margarita；系统发育分析确认其与参考菌株近缘。说明成功鉴定三株AMF。3.3 AMF处理Maled Phai水稻在干旱下的生长性能、生理响应、生物活性化合物和抗氧化活性。通过90 DAT生长和气体交换测定，接种植株株高、分蘖数和净光合速率较高，而气孔导度、蒸腾速率和水利用效率无显著变化；水和AMF对株高和光合速率有显著交互。100% AW下A. mellea RE-KKU-009和G. margarita RE-KKU-010生长和光合最高；66% AW下这些处理维持较高；33% AW下生长和光合下降。结论为AMF改善生长和光合，尤其充分和中等水分条件。通过叶绿素、相对含水量（relative water content，RWC）和根形态测定，水分显著影响总叶绿素、RWC、根长、表面积、直径和体积。100% AW下接种植物叶绿素、RWC和根形态较高；66% AW下G. margarita RE-KKU-010维持较高RWC和根发育；33% AW下参数显著下降但接种仍优于未接种。结论为AMF改善水分状态和根系结构，增强耐旱性。通过生物量测定，水和AMF显著影响地上和根鲜重、干重。100% AW下A. citrusnsis RE-KKU-008和G. margarita RE-KKU-010生物量最高；66% AW下接种维持较高；33% AW下均下降但接种缓解。结论为AMF缓解干旱下生物量下降。通过产量和养分测定，AMF接种在100% AW下提高产量组分和N、P、K浓度；干旱下产量组分降低，33% AW下处理间无显著差异，但接种仍较高；水和AMF对养分显著交互。接种植物孢子密度和根定殖显著更高，所有AMF处理定殖超过60%，显微镜见根内菌丝、泡囊和丛枝，未接种无。结论为AMF促进生殖表现、养分获取和成功定殖。通过籽粒生物活性化合物测定，抗氧化活性、TPC、TAC和TFC差异显著。100% AW下G. margarita RE-KKU-010的TPC和TAC最高，A. citrusnsis RE-KKU-008和A. mellea RE-KKU-009的抗氧化活性和TFC可比或较高；66%和33% AW下接种植物维持较高抗氧化活性和生物活性化合物；水与AMF显著交互。结论为AMF维持抗氧化系统和生物活性化合物，增强水分胁迫适应。通过氧化胁迫相关代谢物和抗氧化酶测定，水分限制增加脯氨酸和POD、SOD、CAT活性，最高值一般在33% AW，尤其接种AMF。100% AW下H₂O₂和MDA低、酶活较低；干旱下AMF定殖植物POD、SOD、CAT和脯氨酸更高，氧化指标更低；水和AMF对H₂O₂和CAT显著交互。结论为AMF减轻氧化损伤。通过相关、PCA和热图分析，AMF根定殖与生长、生理、养分和生物活性代谢物正相关，与MDA和H₂O₂负相关。PCA中PC1解释54.4%，PC2解释14.1%，按AMF接种和干旱条件分离；热图显示AMF处理生长和生理性状较高，干旱和未接种植物应激相关参数较高。结论为AMF增强植物表现并降低氧化胁迫。

讨论部分总结：研究人员指出，成功分离并鉴定A. citrusnsis RE-KKU-008、A. mellea RE-KKU-009、G. margarita RE-KKU-010。AMF接种改善不同水分限制下水稻生长，接种植物株高、分蘖、根系和生物量更高；这可能与菌丝网络增强养分和水获取、扩大吸收表面积有关。生理上，接种植物叶绿素、光合速率和气孔导度较高，有助于维持光合和水分平衡，并可能通过限制过量ROS产生减少氧化损伤。抗氧化防御方面，AMF降低H₂O₂和MDA，提高SOD、POD、CAT，说明其更好清除ROS、降低脂质过氧化，可能有利于籽粒发育和次生代谢物生物合成。籽粒产量和生物活性化合物方面，接种提高N、P、K浓度，促进产量；提高TPC、TAC、TFC，可能与AMF诱导苯丙烷途径激活有关，从而改善籽粒营养和功能品质并增强抗氧化保护。整合响应方面，多变量分析显示AMF定殖与生长生理正相关、与氧化胁迫标记负相关；但定殖强度并非对应所有生理响应，CAT与定殖无显著相关，说明效果还依赖宿主与AMF功能兼容性。三种菌株中G. margarita RE-KKU-010在生长、生理、产量、抗氧化防御和生物活性化合物方面一致优于两个Acaulospora菌株，可能与Gigaspora大孢子含脂滴和储存物质支持萌发和早期定殖、根外菌丝网络增强土壤探索和资源获取以及宿主-真菌兼容性有关。水分可利用性影响AMF效果；中等干旱66% AW下接种植物维持与充分供水相当的表现，可能为最佳范围；严重干旱下碳可用性降低和根功能受损限制真菌表现；充分供水时植物对共生养分获取依赖下降。AMF效益在中等胁迫下最大化。研究扩展到三个水分梯度，且显示Gigaspora在干旱水稻中的潜力常被忽视。AMF还增强酚类、花青素和黄酮。机制尚待阐明，未来可结合转录组、代谢组、田间验证和微生物共接种。

研究结论翻译：三种从水稻根际分离的AMF在干旱胁迫下显著增强植物生长、生理表现、抗氧化防御和抗氧化相关生物活性化合物积累。三种中，G. margarita RE-KKU-010总体表现最佳，尤其在中等干旱（66% AW）下，接种水稻维持与充分供水相当的生长和生理表现。这些发现表明，AMF接种可同时改善干旱韧性，并通过增强酚类、花青素和黄酮积累，有助于维持有色水稻籽粒功能品质。G. margarita RE-KKU-010的优越表现突出其作为候选AMF接种剂，用于改善Maled Phai水稻在水资源限制下生产力和籽粒品质的潜力。需进一步田间研究验证其农艺条件下有效性并研究与其他有益微生物的互作。