植物經(jīng)常在根際中招募微生物以改善其適應(yīng)性，同時應(yīng)對非生物脅迫。叢枝菌根（AM）真菌與大多數(shù)陸地植物形成互利共生關(guān)系，并提高寄主植物對不利環(huán)境的適應(yīng)力。棗是一種典型的AM共生木本物種，已知其AM根在野外條件下廣泛發(fā)育。然而，它們對鹽脅迫的適應(yīng)仍然未知。2022年5月，西北農(nóng)林科技大學(xué)黃建課題組在Plant Physiology（IF 8.005）上發(fā)表 “Mycorrhizal symbiosis reprograms ion fluxes and fatty acid metabolism in wild jujube during salt stress”的研究文章，作者利用靶向代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了AM促進棗對抗鹽脅迫的機制，提示了AM提高共生宿主離子穩(wěn)態(tài)和調(diào)控宿主脂肪酸（FA）代謝以對抗鹽脅迫的新方向。中科新生命參與了該研究中靶向代謝組（植物激素、脂肪酸）檢測的相關(guān)工作。
 

 

圖1 AM共生對鹽處理的生理反應(yīng) 

圖2 AM共生改變宿主離子通量 
 

植物激素有助于協(xié)調(diào)植物對不利條件的反應(yīng)，也是菌根建立和功能發(fā)揮的介質(zhì)。為了研究鹽脅迫下AM共生對植物激素水平的調(diào)控，作者使用靶向代謝組對AM/NM幼苗的葉片和根部進行分析。AM共生誘導(dǎo)了以下顯著影響：在鹽脅迫期間，AM幼苗葉片吲哚-3-乙酸（IAA）增加、根部IAA降低；鹽處理使AM根部的脫落酸(ABA)顯著升高；鹽脅迫顯著提高了AM植株葉片中水楊酸（SA）、反式玉米素(tZ)、異戊烯腺嘌呤(iP)和異戊烯腺苷核苷(iPR)的含量。在菌根互惠共生關(guān)系中，宿主植物主要以FA為主要碳源的形式提供給共生真菌，AM共生對宿主植物根系的FA代謝和轉(zhuǎn)運過程進行了廣泛的調(diào)控。靶向代謝組結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)AM共生同時提高了幼苗根系和葉片的FA含量，尤其是棕櫚酸（C16:0）、油酸（C18:1N9）、反式油酸（C18:1TN9）、亞油酸（C18:2N6）。類似的結(jié)果在楊樹和苜蓿中得到證實，表明AM共生提升了葉子和根部的FA，這是AM植物的保守生理效應(yīng)。

圖3 靶向代謝組分析AM共生調(diào)節(jié)宿主激素和FA水平 

4. 轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)與AM共生相關(guān)基因

為了進一步研究AM共生促進宿主抗鹽的機制，作者對AM/NM幼苗的葉片和根系進行了轉(zhuǎn)錄組分析。加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）分析結(jié)果的模塊-性狀關(guān)系證明了清晰的組織效應(yīng)和AM效應(yīng)。其中有兩個模塊在鹽脅迫下與AM共生幼苗的根系特異性相關(guān)。KEGG富集分析表明上述兩個模塊主要參與了FA代謝和生物合成、生物素代謝、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、SNARE相互作用和甘油磷脂代謝途徑，高度對應(yīng)于AM共生。

圖4脅迫下NM和AM幼苗的WGCNA 

5. 離子通道/轉(zhuǎn)運蛋白受鹽脅迫和AM共生調(diào)控

轉(zhuǎn)錄組結(jié)果顯示，AM共生顯著提高磷轉(zhuǎn)運相關(guān)基因（ZjPHT1）、K⁺轉(zhuǎn)運蛋白（ZjHAK2）基因、Shaker類K⁺通道蛋白（SKORs）基因、質(zhì)膜型ATP酶（ZjAHA7）的表達。這些結(jié)果證明AM共生通過激活了質(zhì)膜型ATP酶來增強H⁺的外排，同時與ZjHAK2表達協(xié)調(diào)以促進K⁺的流入。這些K⁺轉(zhuǎn)運/通道蛋白共同調(diào)節(jié)AM宿主的離子穩(wěn)態(tài)，同時應(yīng)對鹽脅迫。該實驗中，作者K⁺吸收缺陷型酵母菌株R5421證明了ZjHAK2具有K⁺ 轉(zhuǎn)運活性。

6. FA代謝相關(guān)基因受鹽脅迫和AM共生調(diào)控
接下來，作者鑒定了所有參與FA生物合成和運輸?shù)臐撛诨�因。在FAs循環(huán)中，ZjACP2、ZjKASI2、ZjENR1和ZjKAR2強上調(diào)，并特異性誘導(dǎo)ZjACP4表達。這些結(jié)果表明，AM共生極大地增強了FAS循環(huán)的活性。同樣，F(xiàn)A伸長和加工途徑、FA運輸途徑相關(guān)基因的表達在AM共生宿主中同樣被上調(diào)。所有上述結(jié)果證明FA代謝在AM共生中被顯著重編程。RT-qPCR驗證部分關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄組結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 鹽處理過程中AM和NM幼苗FA生物合成、加工和運輸?shù)幕�因表達譜