《Frontiers in Plant Science》：Arbuscular mycorrhizal fungi regulate mineral element distribution in grapevines under pH stress
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本研究聚焦土壤pH失衡对葡萄(Vitis vinifera L.)生长和矿质营养吸收的抑制问题，通过探究两种丛枝菌根真菌(AMF)——Septoglomus viscosum (NZ) 和 Glomus chinensis (ZH)在不同pH环境(酸性pH 5、中性pH 6.5、碱性pH 8)下的作用，揭示了AMF通过激活根系抗氧化系统(提升SOD、POD活性)、改善根系生理功能(如增强根活力、FCR酶活性)和调控矿质元素(Mg、Ca、Fe、Cu、Zn)在植株体内的吸收与分配，有效缓解pH胁迫，促进葡萄生长并提升生物量。该研究为利用AMF生物技术增强葡萄对酸碱胁迫的适应性、实现可持续葡萄栽培提供了重要的理论依据和机制见解。
葡萄，作为全球最具经济价值的多年生果树之一，其生长和产量与环境条件息息相关。然而，气候变化与不当的农业管理措施导致全球葡萄园正面临着日益加剧的非生物胁迫，包括土壤退化、水分亏缺、盐碱化及重金属污染等。其中，土壤pH是一个主宰土壤肥力和葡萄健康的关键变量。理想的土壤pH范围通常在6.5-7.0之间，此时矿质养分的溶解性最佳。但现实中，化肥的过度施用、灌溉水质及土壤母质特性等因素，导致许多葡萄产区土壤出现酸化或碱化，pH值趋向极端。无论是过酸还是过碱的土壤环境，都会破坏根细胞膜透性，诱导氧化损伤，影响土壤中金属阳离子的溶解度，降低植物对矿质元素的吸收能力，最终制约葡萄的抗逆性、生长和产量稳定性。如何帮助葡萄在不适的土壤pH条件下维持正常生长，成为可持续葡萄栽培面临的一大挑战。
在此背景下，丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF)作为一种在陆地生态系统中广泛存在的植物共生伙伴，展现出巨大的应用潜力。AMF以其促进植物磷(P)吸收而闻名，此外，它还能通过扩大根系的探索区域和调节根际pH，调控钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)、铜(Cu)等其他矿质元素的吸收。AMF产生的菌丝网络能将根系的吸收面积扩大数倍，并通过调节根际pH微环境来增强根系活力，从而为根系生长和养分吸收创造更有利的条件，帮助植物更好地适应胁迫环境。然而，关于在不同pH环境下，AMF如何通过调节根系功能来影响葡萄体内矿质元素在地上部和地下部之间的分配，目前信息有限。为了解答这一问题，研究人员在《Frontiers in Plant Science》上发表了一项研究，系统探究了两种AMF——Septoglomus viscosum 和 Glomus chinensis 在不同pH胁迫下对葡萄生长、生理及矿质元素分布的调控作用与机制。
为开展本研究，作者运用了几个关键的技术方法。研究采用一年生自根‘阳光玫瑰’葡萄苗进行盆栽实验，设置了pH 5.0（酸性）、pH 6.5（中性对照）和pH 8.0（碱性）三个梯度。通过分层播种法接种两种AMF菌剂（NZ: S. viscosum; ZH: G. chinensis），并设立不接种的对照组(CK)。利用无菌河沙与砾石的混合基质，以最大程度减少土壤有机质和本土微生物的混杂影响。通过湿筛倾析法对AMF孢子进行提取和计数，并利用显微镜观察和统计根系AMF定殖频率。研究测定了包括植株生物量、叶片净光合速率(Pn)、叶绿素含量、叶绿素荧光(Fv/Fm)、叶片相对电导率(REC)在内的叶片生理指标。在根系方面，测定了根活力(RA，采用TTC法)、根丙二醛(MDA)含量、活性氧(ROS，包括O2-和H2O2)水平、抗氧化酶（超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)）活性、蛋白质含量以及铁螯合还原酶(FCR)活性。此外，采用硝酸-高氯酸消化法和原子吸收光谱法测定了葡萄叶片和根系中Mg、Ca、Fe、Cu、Zn五种矿质元素的含量。数据通过SPSS进行统计分析，并利用OriginPro进行了相关性热图、主成分分析(PCA)等可视化处理。
3.1 AMF定殖的显微图像
显微观察显示，与未接种的CK处理相比，接种S. viscosum (NZ)和G. chinensis (ZH)的处理均表现出显著的菌根定殖和侵染。统计分析表明，G. chinensis 的侵染频率高于S. viscosum，尤其在pH 8时差异最为明显。这为后续AMF发挥生理调控作用奠定了基础。
3.2 AMF对pH梯度下葡萄植株生物量的影响
不同pH梯度对葡萄生长有不同影响。与pH 6.5相比，pH 5和pH 8均抑制植株生长，且pH 5的抑制效应更强。接种AMF能有效提高不同pH条件下植株各器官鲜重、促进新梢生长并增加叶面积，其中ZH (G. chinensis)处理效果最佳。在pH 8条件下，ZH处理使植株总鲜重、地上部鲜重和新梢生长量分别显著提高了103.06%、95.71%和45.15%。
3.3 AMF对不同pH梯度下葡萄叶片生理的影响
不同pH条件显著影响叶片生理状态。与pH 6.5相比，pH 5和pH 8均显著增加了叶片相对电解质渗漏率(REC)，并抑制了净光合速率(Pn)。接种AMF能积极帮助植物适应酸碱胁迫环境，改善叶片功能，提高净光合速率、叶绿素含量和荧光参数，同时显著降低REC。ZH处理整体表现最优，在pH 8时，净光合速率、叶绿素含量和气孔导度(gs)分别提高了53.99%、44.62%和57.96%，而REC显著降低了33.33%。
3.4 AMF对不同pH梯度下根系功能、活性氧及抗氧化酶的影响
不同pH梯度通过改变根活力、蛋白质含量、ROS和抗氧化酶活性来影响根系生理状态。与pH 6.5相比，pH 5和pH 8增加了根系MDA含量，激活了根系ROS和抗氧化酶活性。接种AMF降低了根系MDA和ROS的积累，增强了根活力和抗氧化酶活性，从而缓解了酸碱胁迫对根系的损伤。ZH处理表现最佳，在pH 8时，根活力、蛋白质含量和POD活性分别比对照显著提高了108.7%、19.83%和49.23%，而MDA、H2O2和O2-水平分别降低了35.79%、17.74%和46.69%。NZ处理则显著提高了SOD活性，在pH 5时比对照增加了73.97%。
3.5 AMF对不同pH梯度下铁吸收与转运的影响
不同pH梯度通过调节铁螯合还原酶(FCR)活性来影响植物对铁的吸收效率。在CK处理中，与pH 6.5相比，pH 5和pH 8抑制了FCR酶活性，且pH 8显著降低了植株地上和地下器官的铁含量。接种AMF极大地增强了根系FCR酶活性，显著缓解了pH对铁吸收和转运的影响。ZH处理效果最突出，在pH 5时，FCR酶活性比CK提高64.34%，地上部和地下部铁含量分别增加23.58%和29.74%；在pH 8时，FCR酶活性显著提高54.8%，地上部和地下部铁含量分别显著增加50.68%和42.94%。
3.6 AMF对不同pH梯度下葡萄矿质元素的影响
不同pH水平影响葡萄根系对Ca、Mg、Zn、Cu的吸收和转运。与pH 6.5相比，pH 5和pH 8抑制了地上和地下器官的Mg和Ca含量。AMF通过协同调控Ca、Mg、Zn、Cu的地下吸收和地上再分配，提高了养分利用效率并缓解了金属胁迫。接种AMF显著增加了Mg和Ca含量，同时降低了地上部Zn和Cu含量。NZ处理对微量元素含量的改善最为显著，在pH 8时，地上部Mg和Ca含量分别增加了40.79%和53.47%，而地上部Cu含量显著降低了43.16%。ZH处理则增加了根系中的Zn含量，在pH 6.5时地下部Zn含量增加了84.43%。
3.7 植株生物量与叶片、根系功能、抗氧化系统、矿质元素之间的相关性分析
通过皮尔逊相关性分析发现，植株生物量、净光合速率、叶绿素、荧光等指标与地上部Mg、Ca、Fe及地下部Mg、Ca、Fe、Zn、Cu呈正相关，而与地上部Zn、Cu呈负相关，表明抑制Zn和Cu向上转运有利于植物生长。元素Fe可能在调控Mg、Ca、Zn、Cu元素和促进葡萄生长中起关键作用。
3.8 各处理葡萄生理指标的主成分和聚类分析比较
结合主成分分析(PCA)和单连接聚类法的综合分析表明，不同pH水平对植物生长发育的影响差异显著，pH 5和pH 8与pH 6.5相比存在显著差异。接种AMF后，三个pH梯度之间的差异明显减小。在pH 5和pH 8时，NZ处理和ZH处理对植物生长发育的影响存在显著差异，而在pH 6.5时差异不显著。总体而言，ZH处理在缓解酸碱胁迫和促进生长方面更具优势，而NZ处理则更有利于微量元素的吸收和利用。
研究的结论与讨论部分进一步深化了上述发现。土壤pH是调控根际条件、养分生物有效性和植物生理表现的主要因素。本研究发现，在中性pH 6.5条件下，未接种AMF的葡萄植株获得了最高的生物量，证实了近中性pH为养分供应和生理代谢提供了最优条件。相反，酸性(pH 5.0)和碱性(pH 8.0)条件直接损害了根和叶结构，抑制了生长，阻碍了养分吸收。两种极端pH均显著提高了根系MDA和ROS水平以及叶片REC，表明极端根际pH会导致过氧化膜损伤和透性增加，进而破坏根系吸收和叶片功能。
AMF通过形成比根系更广泛的菌丝网络来扩大矿质元素的吸收半径，并增加根系蛋白质含量。更重要的是，AMF依赖于对叶片光合作用、根活力和抗氧化酶活性的协同优化来缓解胁迫。尽管在酸性和碱性胁迫下，AMF的定殖频率相对于pH 6.5有所降低，但它们仍在两种极端pH下显著增加了葡萄的生物量，表明即使在次优pH下也能形成有效共生。AMF通过提高根系蛋白质含量促进酶合成，减少活性氧，更好地保护根细胞膜和酶系统，从而提高根系FCR活性和蛋白质含量，调节葡萄在不同pH胁迫下矿质元素的平衡，维持生理稳态。
值得注意的是，不同AMF物种在活性氧管理方面存在特异性差异。G. chinensis (ZH)处理在不同pH环境下对活性氧(O2-、H2O2)的清除效率最佳，而S. viscosum (NZ)处理对应的SOD含量最高。这可能涉及两种不同的防御途径，凸显了物种特异性差异，最终有助于AMF定殖植物在pH胁迫下获得增强的表现。
本研究表明，五种矿质元素Mg、Ca、Fe、Zn、Cu在葡萄的吸收、转运和积累过程中并非独立进行，而是形成了密切的协同与拮抗关系，并受根际pH环境的制约。根际pH的破坏会引发矿质元素之间的竞争性吸收，打乱营养平衡。在酸性土壤中，高H+增强了Fe的溶解性，降低了对FCR介导还原的需求，有利于Fe向地上部转运。同时，离子竞争损害了跨膜养分运输，导致Ca和Mg被保留在根系中以保护根尖免受酸害。相反，在碱性环境中，Fe的有效性降低，诱导了FCR的代偿性激活。
AMF通过发展广泛的菌丝网络、分泌有机酸和酶以及调节根际微环境来缓解H+和碳酸盐胁迫。它们改善根系生理，增加矿质元素溶解性，促进吸收和转运，从而增强对Ca、Mg和Fe的获取。此外，AMF分泌的代谢物能平衡Cu和Zn的吸收，防止过量重金属积累。在本研究中，S. viscosum 和 G. chinensis 增强了对Ca、Mg和Fe的吸收及向地上部的转运，支持了地上部生长。然而，它们限制了Cu和Zn的向上转运，将这些金属保留在根系中，从而防止了它们在叶片中的积累。这种差异性调节不仅优化了必需矿质元素的供应，还减少了重金属在地上部的潜在积累，体现了AMF在植物矿质营养和重金属解毒中的协同调控作用。
综上所述，土壤pH和AMF物种以交互作用的方式影响着葡萄的生长、发育和矿质元素动态。研究证实了Fe、Mg、Ca、Zn和Cu在葡萄体内存在协同和拮抗相互作用。在碱性胁迫(pH 8)下，葡萄表现出比酸性胁迫(pH 5)下更高的生物量、光合作用和根活力，有利于Mg、Ca和Cu在根系的保留和向地上部的转运。相反，酸性条件(pH 5)更有利于Fe和Zn的吸收及向地上部转运。总体而言，两种AMF在碱性环境中表现更好，其中S. viscosum 更有利于葡萄体内Mg、Ca、Fe、Zn和Cu的吸收和转运。而G. chinensis 则显著增强了叶片和根系的功能，显著提高了FCR酶活性和蛋白质含量，在增强对Fe吸收利用的同时，改善了根系对Zn的固定。这些发现为在葡萄栽培中根据特定土壤pH条件选择量身定制的AMF菌株提供了依据，使得真菌伙伴能与葡萄的营养需求精确匹配。这将提高基于AMF的应用效率，增强葡萄对pH胁迫的耐受性，并支持高品质葡萄的可持续生产。
