植物经常在根际中招募微生物以改善其适应性，同时应对非生物胁迫。丛枝菌根（AM）真菌与大多数陆地植物形成互利共生关系，并提高寄主植物对不利环境的适应力。枣是一种典型的AM共生木本物种，已知其AM根在野外条件下广泛发育。然而，它们对盐胁迫的适应仍然未知。2022年5月，西北农林科技大学黄建课题组在Plant Physiology（IF 8.005）上发表 “Mycorrhizal symbiosis reprograms ion fluxes and fatty acid metabolism in wild jujube during salt stress”的研究文章，作者利用靶向代谢组学和转录组学揭示了AM促进枣对抗盐胁迫的机制，提示了AM提高共生宿主离子稳态和调控宿主脂肪酸（FA）代谢以对抗盐胁迫的新方向。中科新生命参与了该研究中靶向代谢组（植物激素、脂肪酸）检测的相关工作。
野生型根瘤菌接种与非菌根（NM）野生枣幼苗 、K+摄取缺陷的酵母突变菌株
技术路线
步骤1：观察AM共生对盐处理的生理反应；
步骤2：分析盐胁迫下AM共生对宿主离子通量及离子稳态的影响；
步骤3：靶向代谢分析AM共生调控宿主的植物激素水平和FA含量；
步骤4：转录组解析AM共生影响宿主的转录调控；
步骤5：分析盐胁迫和AM共生对宿主离子通道/转运及FA相关基因的调控。
研究结果
1. AM提高宿主幼苗的耐盐性结果显示，相比于NM，AM共生情况下幼苗的盐胁迫效应更弱。此外发现，AM共生显著提高了盐胁迫下宿主的生物量、净光合速率和抗氧化系统。
图1 AM共生对盐处理的生理反应
2. AM共生促进盐胁迫下的离子稳态和根尖离子通量
盐胁迫下AM和NM幼苗均积累了更高浓度的Na+，然而相较于NM，AM共生促进了幼苗在盐胁迫下的K+的积累量，进而保持了较高的K+/Na+比值。AM共生同时也促进了幼苗磷水平的提高。因此，AM共生增加了宿主对盐胁迫的适应，主要是通过增强磷和钾的获得来促成的。此外，通量变化结果显示，盐胁迫下AM共生提高了H+和Ca2+的外排、降低了K+的外排。这些结果提供了AM共生维持K+ / Na+的证据。
图2 AM共生改变宿主离子通量
3. AM提高共生植物的生长激素与FA含量
植物激素有助于协调植物对不利条件的反应，也是菌根建立和功能发挥的介质。为了研究盐胁迫下AM共生对植物激素水平的调控，作者使用靶向代谢组对AM/NM幼苗的叶片和根部进行分析。AM共生诱导了以下显著影响：在盐胁迫期间，AM幼苗叶片吲哚-3-乙酸（IAA）增加、根部IAA降低；盐处理使AM根部的脱落酸(ABA)显著升高；盐胁迫显著提高了AM植株叶片中水杨酸（SA）、反式玉米素(tZ)、异戊烯腺嘌呤(iP)和异戊烯腺苷核苷(iPR)的含量。在菌根互惠共生关系中，宿主植物主要以FA为主要碳源的形式提供给共生真菌，AM共生对宿主植物根系的FA代谢和转运过程进行了广泛的调控。靶向代谢组结果表明，发现AM共生同时提高了幼苗根系和叶片的FA含量，尤其是棕榈酸（C16:0）、油酸（C18:1N9）、反式油酸（C18:1TN9）、亚油酸（C18:2N6）。类似的结果在杨树和苜蓿中得到证实，表明AM共生提升了叶子和根部的FA，这是AM植物的保守生理效应。
图3 靶向代谢组分析AM共生调节宿主激素和FA水平
4. 转录组发现与AM共生相关基因
为了进一步研究AM共生促进宿主抗盐的机制，作者对AM/NM幼苗的叶片和根系进行了转录组分析。加权基因共表达网络分析（WGCNA）分析结果的模块-性状关系证明了清晰的组织效应和AM效应。其中有两个模块在盐胁迫下与AM共生幼苗的根系特异性相关。KEGG富集分析表明上述两个模块主要参与了FA代谢和生物合成、生物素代谢、植物激素信号转导、SNARE相互作用和甘油磷脂代谢途径，高度对应于AM共生。
图4胁迫下NM和AM幼苗的WGCNA
5. 离子通道/转运蛋白受盐胁迫和AM共生调控
转录组结果显示，AM共生显著提高磷转运相关基因（ZjPHT1）、K+转运蛋白（ZjHAK2）基因、Shaker类K+通道蛋白（SKORs）基因、质膜型ATP酶（ZjAHA7）的表达。这些结果证明AM共生通过激活了质膜型ATP酶来增强H+的外排，同时与ZjHAK2表达协调以促进K+的流入。这些K+转运/通道蛋白共同调节AM宿主的离子稳态，同时应对盐胁迫。该实验中，作者K+吸收缺陷型酵母菌株R5421证明了ZjHAK2具有K+ 转运活性。
图5 ZjHAK2在酵母中的系统发育分析及功能鉴定
6. FA代谢相关基因受盐胁迫和AM共生调控
接下来，作者鉴定了所有参与FA生物合成和运输的潜在基因。在FAs循环中，ZjACP2、ZjKASI2、ZjENR1和ZjKAR2强上调，并特异性诱导ZjACP4表达。这些结果表明，AM共生极大地增强了FAS循环的活性。同样，FA伸长和加工途径、FA运输途径相关基因的表达在AM共生宿主中同样被上调。所有上述结果证明FA代谢在AM共生中被显著重编程。RT-qPCR验证部分关键基因转录组结果的准确性。
图6 盐处理过程中AM和NM幼苗FA生物合成、加工和运输的基因表达谱
小结该研究为菌根共生提高木本植物对盐胁迫的适应性提供了一个全面的认识，阐明了AM共生提高宿主植物离子稳态的机制，发现了AM共生调控宿主植物脂肪酸代谢的新效应。
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