盐生植物滨藜（Atriplex halimus）内生真菌介导耐盐性的物种特异性生理机制

《Environmental and Experimental Botany》：Species-specific physiological mechanisms underlying endophyte-mediated salinity tolerance in Atriplex halimus

　　

盐生植物相关真菌可改善植物在极端盐胁迫下的表现。内生真菌可增强盐胁迫下植物的CO2同化能力和光系统II（PSII）效率。真菌共生可改善植物水分关系和矿质营养。真菌物种特异性效应驱动特定的耐盐机制。Periconia macrospinosa对盐胁迫提供 superior 保护作用。

论文解读

一、研究背景与意义

土壤盐渍化已成为全球范围内制约农业生产力和生态系统稳定性的重大环境胁迫因素，尤其在干旱和半干旱地区问题尤为突出。灌溉需求增加、气候变化以及土地退化过程加速了土壤中盐分的积累，导致植物遭受渗透胁迫、离子毒害、营养失衡和生产力下降。在此背景下，盐生植物及其共生微生物被视为盐渍化生态系统可持续管理与修复的 promising 工具。

在地中海盐生植物中，滨藜（Atriplex halimus L.）被公认为最具耐盐性的多年生灌木之一。这种旱生盐生植物广泛分布于地中海干旱和半干旱地区，表现出显著的生态可塑性和对盐渍及贫瘠土壤的 robust 适应能力。它通过高效的渗透调节、组织内Na的受控积累以及老叶中的盐分排泄或隔离机制，在 elevated NaCl浓度下维持生长和水分利用效率。然而，尽管对其盐胁迫生理响应已有 extensive 认识，真菌内生菌在这些响应中的贡献在很大程度上仍未被探索。

与盐生植物相关的微生物，特别是内生真菌，日益被认为是植物适应胁迫环境的关键驱动因素。已有研究多集中于植物促生细菌（PGPB），其促进耐盐性、养分获取和渗透调节的有益效应已得到较充分证实。相比之下，真菌内生菌受到的关注明显不足，尤其是在天然耐盐盐生植物中，尽管越来越多的证据表明它们可以增强盐胁迫下的离子稳态、植物水分关系、养分获取和光合性能。值得注意的是，植物促生真菌内生菌（PGPF）不应简单视为PGPB的真菌等同物，其持续定殖宿主组织和菌丝生长可能对资源获取和宿主胁迫生理产生 distinct 或互补的效应。因此，本研究旨在评估 Fusarium longifundum 和 Periconia macrospinosa 两种真菌内生菌对不同盐度水平下滨藜生长、矿质营养、水分关系和光合性能的影响，重点考察这些效应是否因真菌种类而异，以及其盐胁迫下生理机制的差异。

二、主要技术方法概述

研究人员从阿尔及利亚奥兰地区盐渍环境中的盐生植物 Frankenia laevis 和 Hyparrhenia hirta 根系中分离获得两株内生真菌（In. 1和In. 2），通过形态学、分子（ITS序列）和系统发育分析鉴定为 Fusarium longifundum 和 Periconia macrospinosa。随后对两株真菌进行了NaCl耐受性评估（855–3420 mM）、吲哚-3-乙酸（IAA）产生能力测定、磷酸盐溶解能力检测、胞外水解酶活性（淀粉酶、纤维素酶、几丁质酶）分析以及针对病原真菌 Fusarium oxysporum 的拮抗活性评价。温室盆栽实验中，滨藜植株在171和1030 mM NaCl两种盐度水平下，分别接受不接种、接种 F. longifundum 或接种 P. macrospinosa 三种处理，每个处理组合10株独立植株（n=10，共60株），处理3个月后收获。研究测定了植株生长参数（叶片干物质含量LDMC、根干物质含量RDMC、株高、根长）、气体交换参数（净CO₂同化速率A_N、气孔导度g_s、胞间CO₂浓度C_i、表观羧化效率C_e、内在水分利用效率_iWUE）、叶绿素a快速动力学（JIP-test）参数、叶片渗透势（Ψ_o）和相对含水量（RWC），以及叶片和根中Ca、K、Mg、Na、P元素含量和C/N比。统计分析采用广义线性模型（GLM）。

三、研究结果

3.1 内生真菌分离株的特征化

形态学、分子和系统发育分析揭示了两株内生真菌之间的明显差异。基于ITS测序，分离株被鉴定为 Fusarium longifundum（In. 1，与参考序列相似度99.62%）和 Periconia macrospinosa（In. 2，相似度99.33%）。功能特征化表明，F. longifundum 表现出高盐耐受性，在3420 mM NaCl下仍能维持生长，而 P. macrospinosa 在855和1710 mM NaCl下生长最佳，在更高浓度下受到强烈抑制。两株真菌均产生IAA，其中 F. longifundum 产量更高（8.07 ± 0.5 μg mL?1 vs. 0.70 ± 0.035 μg mL?1）。两株真菌均未检测到磷酸盐溶解活性。仅 P. macrospinosa 表现出纤维素酶活性，两株真菌均无淀粉酶和几丁质酶活性。在双重培养中，两株真菌均以约42.5%的抑制率抑制 Fusarium oxysporum 的生长。此外，F. longifundum 对 P. macrospinosa 的生长抑制率达40.0%，因此后续盆栽实验仅采用单菌株接种。

3.2 内生真菌接种对NaCl胁迫下滨藜生长的影响

盐度和真菌接种对滨藜生长有显著但非协同的效应。未接种植株在1030 mM NaCl下生长显著下降，LDMC降低约59%、根长降低62%、RDMC降低78%、株高降低92%。相比之下，真菌接种缓解了盐胁迫的负面效应。在1030 mM NaCl下，接种处理使LDMC和RDMC分别增加31%和39%。株高和根长在接种处理下也持续增强，尤其是在最高盐度水平下。

3.3 内生真菌接种对滨藜光合性能的影响

盐度和真菌接种对光合性能均有显著效应，部分参数存在显著的协同交互作用。最高盐度浓度下，未接种植株的A_N和g_s显著下降，但真菌接种部分缓解了这一降低，接种植株表现出更高的A_N和更低的g_s，此趋势在In. 2处理中更为明显。C_e在极端盐度下显著降低，但接种处理有改善趋势。盐度升高导致未接种植株C_i升高，而真菌接种使C_i值维持在接近中等盐度水平。叶绿素a快速动力学方面，未接种植株整体荧光动力学值较低，而接种任一真菌菌株的植株在两个盐度水平下均维持显著更高的荧光水平，In. 2处理效果最为显著。接种显著改善了F_v/F_m、TR/CS和ET/CS，降低了DI/CS，并提高了PI_total，尤其在极端盐度下效果更为明显。

3.4 内生真菌接种对NaCl胁迫下滨藜水分关系的影响

未接种植株的_iWUE和RWC随盐度升高而显著降低，真菌接种完全缓解了这一负面效应。Ψ_o值在1030 mM NaCl下急剧升高，接种植株中这一升高更为显著，表明接种植物具有更强的渗透调节能力。

3.5 内生真菌接种对NaCl胁迫下滨藜营养状况的影响

组织离子浓度总体上根部高于叶片，C/N比在叶片中持续较高。叶片Na浓度受真菌接种强烈影响，但效应具有接种物特异性：In. 1在171 mM NaCl下显著降低叶片Na积累，而In. 2在1030 mM NaCl下使叶片Na浓度降至最低。相反，In. 1在1030 mM NaCl下促进了最高的叶片Na水平。叶片K浓度在未接种植株中随高盐度下降，In. 1接种缓解了这一降低并在1030 mM NaCl下维持较高K水平。叶片Mg浓度在In. 2处理下于高盐度显著升高。Ca和P浓度变化相对较小。叶片C/N比在171 mM NaCl下以In. 1处理最高，在1030 mM NaCl下以In. 2处理最高。

四、讨论与结论

本研究首次证明耐盐真菌内生菌能显著增强滨藜在 hypersaline 条件下的生理表现和耐盐性，且响应强烈依赖于真菌种类，表明不同内生菌可能调控不同的耐盐生理机制。P. macrospinosa 在盐胁迫和干旱胁迫下的有益作用已在多种植物中报道，而 F. longifundum 的生态角色和促生潜力此前 largely 未被探索，本研究显著扩展了对该种作为 hypersaline 条件下潜在有益内生菌功能多样性的认识。

接种植物生长的增强可能部分归因于两株真菌表现出的促生性状，包括IAA产生和 P. macrospinosa 的纤维素酶活性。IAA产生可促进根伸长、侧根形成和根系构型改变，最终提高水分和养分获取能力。真菌接种对光合装置性能的有益效应可能通过刺激抗氧化防御、减少活性氧（ROS）积累、维持类囊体膜稳定性以及调控光合相关基因表达等机制实现。接种植物维持更高的RWC和_iWUE以及更负的渗透势，表明其具有更强的渗透调节能力和更优的水分利用策略。

最值得关注的发现是真菌接种对离子浓度的物种特异性调控。F. longifundum 在中等盐度下强烈降低叶片Na浓度，而 P. macrospinosa 在极端盐度下使叶片Na水平最低。接种同时与极端盐度下更高的K浓度相关，尤其在 F. longifundum 处理中。维持有利的K/Na平衡被认为是耐盐的关键机制。P. macrospinosa 处理下叶片Mg浓度的升高可能有助于维持叶绿素功能和光合效率。

两株真菌均表现出对 F. oxysporum 的拮抗活性，支持其作为兼具促生和生物防治功能的多功能菌剂的潜力。

总体而言，F. longifundum 似乎更侧重于离子平衡的维持，而 P. macrospinosa 在极端盐度下对光化学性能和胁迫缓解表现出更显著的效果。这些发现强调内生菌介导的耐盐性不能在同一分类水平上泛化，而取决于每种真菌物种的具体功能性状。

研究结论：本研究首次证明耐盐真菌内生菌能显著增强滨藜在 hypersaline 条件下的耐盐性。F. longifundum 和 P. macrospinosa 均表现出相关的植物促生性状，包括高盐耐受性、IAA产生和纤维素酶活性。真菌接种改善了盐胁迫下植物的生长、水分关系、光合性能和离子稳态，尽管这些响应的幅度和性质强烈具有真菌物种特异性。特别是，接种植物通过减少地上部组织Na积累和在极端盐度（1030 mM NaCl）下维持更好的K保留，保持了更高的光化学效率和更有利的离子平衡。这些发现凸显了耐盐真菌内生菌作为改善退化盐渍生态系统中植物建植和恢复力的可持续工具的生态和生物技术潜力。