菌根共生调控燕麦花期抗旱性的转录组与生理机制解析

《Plant Physiology and Biochemistry》：Insights on the Impact of Arbuscular Mycorrhizal Symbiosis on Avena Sativa Drought Tolerance at the Early Flowering Stage

本研究针对燕麦(Avena sativa)花期干旱敏感导致减产的问题，通过接种丛枝菌根真菌（Rhizophagus intraradices, Ri），结合表型生理与转录组分析，揭示了AMF通过激活苯丙烷代谢、植物激素信号转导及抗氧化系统关键基因（如PAL、PYL5、PIPs等），显著提升燕麦干旱耐受性的分子网络，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为制约作物生产的主要非生物胁迫之一。燕麦作为营养丰富的粮饲兼用作物，在半干旱地区广泛种植，但其抽穗至开花期对水分极度敏感，干旱会导致产量和品质显著下降。丛枝菌根真菌（AMF）作为植物根系的共生伙伴，能够通过扩展根系吸收范围、调节水分和养分运输来增强宿主抗旱性，然而燕麦在AMF共生下的干旱响应分子机制尚不明确。

为解析这一机制，研究团队以"青海甜燕麦"为材料，设计双因素（水分处理：正常浇水75%田间持水量CK、干旱胁迫50%田间持水量D；AMF处理：接种Ri vs不接种NM）实验，在共生60天（干旱处理30天）的花期取样，整合表型测定、生理指标分析和根部转录组测序，并通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）挖掘关键模块和枢纽基因。

关键技术方法概述

研究通过盆栽实验控制水分，采用α-萘胺氧化法测根系活力，紫外分光光度法检测超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶活性，利用UPLC-FT-MS技术测定脱落酸（ABA）、生长素（IAA）、水杨酸（SA）等激素含量。转录组分析基于Illumina NovaSeq 6000平台测序，使用Hisat2比对燕麦参考基因组，DESeq2筛选差异表达基因（DEGs），并通过Omicsmart平台进行GO和KEGG富集分析。qRT-PCR验证了GSTU1、CAT2、PIPs等10个基因的表达趋势。

3.1 接种AMF改善干旱下燕麦表型与生理响应

干旱胁迫显著抑制了燕麦株高、分蘖数和生物量，而Ri接种逆转了这一趋势：在干旱条件下，接种使茎粗增加12%、根干重提高41%，百粒重提升12%。生理指标显示，Ri接种显著提升根系活力，干旱下叶片过氧化氢（H₂O₂）含量降低17%，根中H₂O₂升高但低于正常水分接种处理，表明AMF缓解了氧化损伤。抗氧化酶中，POD活性在接种后显著上升，而根中CAT和SOD活性在干旱下被Ri抑制，反映AMF可能通过特异性调节抗氧化途径增强耐受性。

3.2 干旱与AMF互作调控激素与谷胱甘肽代谢

干旱使根中ABA含量飙升9.65倍，Ri接种进一步强化该趋势（较干旱未接种提高2.46倍），同时SA水平上升54%。谷胱甘肽代谢中，干旱上调谷胱甘肽还原酶（GR）活性和氧化型谷胱甘肽（GSSG），而还原型谷胱甘肽（GSH）下降47%；Ri接种在正常水分下提升GR、GSH和GSSG，干旱下则降低GR活性，提示AMF通过动态调节氧化还原平衡增强适应性。

3.3 转录组揭示AMF放大干旱响应基因表达

差异表达分析发现，干旱未接种（D-NM vs CK-NM）产生12,438个DEGs，接种后（D-Ri vs CK-Ri）增至14,506个，上调基因占比增加，表明AMF放大干旱应答规模。WGCNA识别出19个模块，其中Brown4、Bisque4等模块与抗旱性状显著相关，枢纽基因包括苯丙烷途径的PAL、PER，激素信号相关的PYL5、B-ARR，以及转运蛋白PIP1;5、PHT1-11等。

3.4 苯丙烷生物合成通路核心基因响应AMF调控

KEGG富集显示"苯丙烷生物合成"为最显著通路，70个基因中PAL（18个）和过氧化物酶PER（14个）家族成员最多。干旱下多数基因下调，但4CLL、CAD等显著上调；正常水分下Ri接种引起47个基因上调，包括PAL、PER、CAD等，暗示AMF在非胁迫下预激活抗逆通路。互作网络提示PAL与PER47、ZB8等协同调控抗氧化防御。

3.5 植物激素信号转导通路整合干旱与AMF响应

激素通路中，ABA信号基因PYL5在干旱接种下上调，PP2C50、SnRK2s、ABFs等均被Ri调控，增强ABA信号传导。生长素通路中IAA7、SAURs上调促进根系发育；细胞分裂素信号基因CRE1、B-ARR10下调可能缓解ABA抑制；茉莉酸途径JAZ基因上调利于共生平衡。这些变化凸显AMF通过多激素交叉对话优化干旱响应。

3.6 枢纽基因网络关联抗旱与共生生理

WGCNA筛选出的枢纽基因涵盖转录因子（MYBAS1、WRKY11）、抗氧化酶（CAT2、RBOH）、转运蛋白（PIPs、PHT1-11、YSL13）等。例如，水通道蛋白PIP2;3、PIP1;5在干旱下被抑制但由Ri恢复表达，改善水分运输；铁转运蛋白YSL13上调可能优化金属分配；磷转运蛋白PHT1-11和PHF1耦合AMF的磷吸收功能。这些基因构成AMF增强抗旱性的分子基础。

结论与意义

本研究系统阐明了AMF通过重塑燕麦根部转录网络增强花期抗旱性的机制：一方面激活苯丙烷代谢强化抗氧化防御，另一方面协调ABA、生长素等激素信号优化生理响应，同时调控PIPs、PHTs等转运蛋白改善水分养分供给。研究不仅揭示了PAL、PYL5、PIP2;3等关键基因的枢纽作用，还为燕麦抗逆育种提供了候选靶点，推动基于菌根共生的绿色农业发展。论文发表于《Plant Physiology and Biochemistry》，为作物-微生物互作领域提供了理论依据。