整合转录组与代谢组分析揭示纳米增强丛枝菌根共生协同响应水稻盐胁迫耐受性的分子机制

《Plant Physiology and Biochemistry》：Integrated transcriptomic and metabolomic analyses reveal coordinated molecular responses associated with nano-enabled arbuscular mycorrhizal symbiosis for salt stress tolerance in rice

　　

摘要：盐胁迫是限制水稻生长和产量的主要环境因素。利用氧化钙纳米材料（CaO NMs）进行种子纳米引发并结合丛枝菌根真菌（AMF）处理，近期已成为增强作物抗逆性的有效策略，但其潜在响应机制尚不明确。本研究将经CaO NMs（80 ppm）引发的稻种在移栽时接种丛枝菌根真菌Claroideoglomus claroideum，并在175 mM NaCl胁迫下评估其对植株表现和代谢响应的影响。联合处理在非胁迫条件下显著增强了菌根定殖，丛枝丰度超过40%，而在相应SMN处理中，盐胁迫降低了AMF定殖。尽管定殖有所降低，SMN处理仍改善了盐胁迫下的生理表现，叶绿素稳定性指数（CSI）提高了71%，并改善了多项产量相关参数。对叶片进行的非靶向代谢组学分析鉴定出391种差异积累代谢物（DAMs），主要富集于氨基酸代谢（甘氨酸–丝氨酸–苏氨酸和丙氨酸–天冬氨酸–谷氨酸）、硫代谢（半胱氨酸和蛋氨酸）以及芳香族氨基酸代谢（苯丙氨酸和色氨酸）相关通路。这些代谢变化提示渗透保护增强、氧化还原稳态改善以及次生代谢物生物合成被激活。转录组分析进一步发现，与光合天线复合体、过氧化物酶介导的氧化还原调控及Ca2+信号组分（包括双孔钙通道1（TPC1）和EF-hand蛋白）相关的基因表达上调，同时脂质过氧化相关的氧化应激标志物表达降低，提示存在与耐盐性相关的协调分子响应。综上，代谢组学和转录组学发现表明，代谢和转录的协同调整可能有助于改善盐碱条件下的光合性能、氧化还原稳态和籽粒产量。总体而言，本研究为纳米增强的AMF共生提供了新见解，并表明CaO NM种子引发联合AMF接种是提高水稻在盐碱条件下抗逆性的一种有前景的策略。

纳米增强丛枝菌根共生协同提升水稻耐盐性的整合组学研究解读

一、研究背景与科学问题

土壤盐碱化是全球农业生产面临的严峻挑战之一，严重制约水稻这一重要粮食作物的生长与产量。盐胁迫通过高浓度钠离子（Na⁺）引发离子毒性、氧化应激和光合损伤，对水稻植株及根际微生物群落构成多重威胁。盐分胁迫会损伤光系统II（PSII）的D1蛋白，降低电子传递效率和卡尔文循环活性，导致活性氧（ROS）过量积累。同时，高Na⁺水平还会抑制丛枝菌根真菌（AMF）的定殖和孢子萌发，削弱其有益共生效应。

纳米材料（NMs）因其独特的表面化学性质而具有增强的生物活性，近年来氧化钙纳米材料（CaO NMs）因其缓释钙源特性及对植物-微生物互作的潜在调控作用受到广泛关注。钙是植物和微生物的必需大量元素，在AMF根系定殖中发挥重要作用。然而，CaO NMs与AMF联合应用于水稻耐盐性的研究仍十分有限，特别是盐胁迫下CaO NM–AMF–植物三者互作的转录组和代谢组层面的分子机制尚不清楚。因此，开展整合多组学分析以阐明纳米-微生物-植物互作机制，对优化盐碱地水稻可持续生产策略具有重要意义。

二、研究设计与技术方法

研究人员以水稻品种KAU Akshaya为材料，设置四个处理组：对照（C）、AMF与CaO NMs共处理（CMN）、NaCl胁迫（S）、NaCl胁迫下AMF与CaO NMs共处理（SMN）。种子以80 ppm CaO NMs引发，移栽时接种AMF Claroideoglomus claroideum，胁迫浓度为175 mM NaCl。主要关键技术方法包括：CaO NMs的结构表征（FESEM、XRD、DLS、EDAX）；菌根定殖特征评估；叶绿素含量及叶绿素稳定性指数（CSI）测定；光系统I（PSI）和光系统II（PSII）活性测定；ROS含量检测；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析离子含量；非靶向代谢组学分析（高分辨液相色谱-质谱联用，HR-LCMS）；转录组测序（RNA-seq，Illumina NovaSeq 6000平台）。代谢组学分析采用三个生物学重复，转录组分析对C、S和SMN三个处理组各三个生物学重复进行测序。

三、主要研究结果

3.1 CaO NMs对菌根定殖效率的影响

未接种处理的根系中未观察到菌根定殖结构。CMN处理下丛枝丰度超过40%，囊泡频率58%，根内菌丝60%，根外菌丝22%，孢子23%。SMN处理虽在盐胁迫下维持了AMF定殖，但各项菌根结构特征较CMN处理均有降低，表明盐分条件限制了真菌生长和结构分化，但保持了功能性共生。

3.2 对叶绿素含量、CSI及光系统活性的影响

CMN处理显著提升叶绿素a含量59%、叶绿素b含量26%及叶绿素a/b比值27%。NaCl胁迫导致叶绿素a和b分别下降58%和38%。SMN处理较S处理分别提升叶绿素a 61%、叶绿素b 31%和叶绿素a/b比值23%。CMN处理的CSI达97%，较对照提高18%；S处理降至65%，SMN处理恢复至71%。PSII活性方面，CMN处理较对照提高27%，S处理下降35%，SMN较S提高31%。PSI活性呈现相似趋势，CMN较对照提高21%，S处理下降55%，SMN较S提高20%。

3.3 对胁迫指标的影响

CMN处理较对照降低超氧阴离子含量31%和过氧化氢含量20%。S处理使超氧阴离子和过氧化氢分别增加158%和66%。SMN处理较S分别降低超氧阴离子36%和过氧化氢31%。

3.4 对离子积累的影响

SMN处理较S处理降低 shoot Na⁺积累46%，提高K⁺积累24%，Na⁺/K⁺比值降低56%，Ca和Mg²⁺积累分别提高28%和17%。根系中SMN较S降低Na⁺积累45%，提高K⁺积累23%，Na⁺/K⁺比值降低55%，Ca和Mg²⁺分别提高43%和22%。

3.5 对产量参数和生殖性状的影响

CMN处理较对照显著改善结实率（21%）、收获指数（33%）、百粒重（16%）、实粒数（98%）、穗密度（24%）、每穗粒数（53%）和颖花育性（12%），穗抽生提前7天。S处理严重损害产量表现，各参数显著下降。SMN处理较S处理部分恢复产量损失：结实率提高28%，收获指数提高27%，百粒重提高12%，实粒数提高19%，穗密度提高16%，每穗粒数提高14%，颖花育性提高12%，穗抽生提前6天。

3.6 代谢组学分析

共鉴定出673个代谢物（C）、562个（CMN）、523个（S）和575个（SMN）。CMN vs C、S vs C、SMN vs S比较中分别检测到390、510和391个DAMs。SMN vs S的DAMs富集于39条通路，主要包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，半胱氨酸和蛋氨酸代谢。SMN处理显著提高色氨酸（log₂FC=5.27）、苯丙氨酸（log₂FC=4.72）、酪氨酸（log₂FC=5.29）、γ-氨基丁酸（log₂FC=9.01）、谷氨酰胺（log₂FC=7.62）、蛋氨酸（log₂FC=7.19）、丝氨酸（log₂FC=8.39）、甜菜碱（log₂FC=2.87）等代谢物含量。

3.7 转录组学分析

RNA-seq分析中，S vs C、SMN vs C和SMN vs S比较分别鉴定出1736、1005和2823个差异表达基因（DEGs）。SMN vs S中上调基因富集于光合天线蛋白、光合作用和代谢通路；下调基因富集于蛋白质输出、辅因子生物合成、卟啉代谢、剪接体、氰氨基酸代谢、苯丙烷生物合成和类胡萝卜素生物合成。SMN处理显著上调叶绿素a-b结合蛋白（log₂FC=5.72）、NADPH-原叶绿素酸酯氧化还原酶、MYB转录因子、过氧化物酶（log₂FC=9.03和4.03）、光系统I反应中心亚基PSI-H、双孔钙通道蛋白TPC1（log₂FC=1.28）和EF-hand钙传感器蛋白（log₂FC=1.14）等基因表达。

四、讨论与结论

研究结果表明，CaO NMs种子引发联合AMF接种通过协调调控共生效率、光合性能、代谢重编程和转录响应，显著缓解水稻NaCl胁迫。代谢组学揭示的氨基酸积累（脯氨酸、甘氨酸甜菜碱等）有助于渗透保护和氧化还原稳态维持；转录组学发现的光合相关基因上调和氧化应激标志物下调共同支持了光合性能的改善。Ca²⁺信号组分（TPC1、EF-hand蛋白）的激活提示钙信号在纳米-菌根协同耐盐中发挥重要作用。该研究首次从多组学层面阐明了CaO NM–AMF–水稻互作的分子机制，为盐碱地水稻可持续生产提供了理论依据和实践策略。论文发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。