丛枝菌根真菌通过调节根系结构可塑性和离子稳态，与平衡的铵/硝酸盐比例协同作用，显著提高Hordeum jubatum的抗寒性

根系解剖结构与离子稳态协同调控冷胁迫耐受性研究显示，铵/硝酸盐比例失衡会加剧冷胁迫对根系发育的抑制，而丛枝菌根真菌接种可降低皮层-维管束比值并增强磷钾铁吸收，通过促进茎钙铁积累维持离子平衡。

　　

作者列表：秦崇远|韩金姬|张京南|高冰|谭卓然|韩英新|潘银诺|王京红|卢淑华

中国东北林业大学景观建筑学院，哈尔滨

摘要

在温带地区，寒冷胁迫严重限制了植物的生长。虽然氮肥可以缓解寒冷胁迫，但不同铵氮比以及它们与丛枝菌根真菌（AMF）的相互作用的有效性仍不明确。本研究采用三因素设计（温度 × 铵氮比 × AMF接种）来研究这些因素对Hordeum jubatum抗寒性的综合影响，并通过分析根的解剖结构和离子组成来验证。结果表明，寒冷胁迫显著抑制了根的生长，减少了根径、皮层厚度和导管直径，而高铵处理加剧了这些结构损伤。AMF接种在高铵供应条件下减轻了寒冷引起的导管直径减小，保持了较低的皮层与导管（C:S）比例。相关性分析显示，这种优化的根解剖结构，特别是较低的C:S比例，与多种离子的含量呈负相关，表明运输效率得到了提高。离子组成分析表明，AMF接种在寒冷胁迫下显著增加了根对磷、钾和铁等关键养分的吸收。平衡的铵氮比与AMF接种的协同作用最有效地促进了地上部分的钙和铁积累，从而稳定了离子平衡。这些发现强调了通过系统性地改善根的结构可塑性和离子组成来增强抗寒性的重要性，为寒冷地区农业中的养分管理提供了理论基础。

引言

季节性寒潮和早霜是温带地区植物生长面临的反复出现的挑战（Song等人，2023；Crossett等人，2017）。这些不可预测的低温事件会直接损害组织并抑制光合作用和养分吸收等关键生理过程（Yadav等人，2010；Manasa等人，2022）。人们普遍认为，氮（N）这种主要养分的可用性会影响植物应对寒冷胁迫的能力（Acidri等人，2020）。因此，氮肥施用有时被视为提高抗寒性的潜在策略（Soualiou等人，2023）。然而，实际应用中的效果往往复杂，可能与预期不同。由于广泛使用铵基肥料以及大气中氮沉积的模式，植物越来越多地暴露在高铵（NH₄⁺）与硝酸盐（NO₃^-）比例较高的环境中（Regus等人，2017；Glass等人，2003）。在这种特定条件下，氮的添加可能会在没有寒冷的情况下也给植物生长带来新的限制（Rivero-Marcos等人，2024）。一项全球研究表明，纬度和植被类型也会影响植物的氮偏好，这会随着环境条件的变化而变化（Mao等人，2025）。因此，高铵供应与随后发生的寒冷胁迫之间的相互作用是植物环境响应中一个复杂且尚未充分研究的方面，需要进一步探讨。

维持离子平衡对多种生理过程至关重要，包括酶激活（Obroucheva等人，2021）、渗透调节（Katuwal等人，2020）和细胞电中性维持（Malakar等人，2021）。在环境胁迫下，这种微妙的平衡会被破坏，例如由于K⁺和Ca²⁺等阳离子的吸收受阻或NH₄⁺的过度积累，这可能导致代谢功能障碍（Garzón等人，2011；Pan等人，2025）。作为离子吸收和运输的主要器官，根的解剖特征成为理解离子平衡的重点（Bao等人，2019）。一项关于玉米（Zea mays）的研究表明，氮的添加通过改变根的解剖结构影响离子平衡（Guo等人，2023）。在感兴趣的解剖特征中，皮层与导管（C:S）比例受到了广泛关注，因为它调节了离子从根表面到导管的传输路径和效率。较高的C:S比例可能延长离子传输距离，而较低的比例则有助于离子快速移动到木质部并随后转移到地上部分（Pedersen等人，2021；Yamauchi等人，2021）。此外，其他结构特征，如皮层细胞的排列密度和内皮Casparian条带的发育水平，也被认为是影响离子选择性和传输阻力的重要因素（Wang等人，2022）。

丛枝菌根真菌（AMF）因其能够通过广泛的根外菌丝网络增强植物对矿物养分的吸收（尤其是磷和氮）而受到重视（Ingraffia等人，2020；Wang等人，2025）。除了这些营养效益外，新的证据表明，AMF定植还可以引起根系解剖结构的显著变化（Grondin等人，2024）。这些变化可能包括皮层通气组织的改变、维管系统的发育以及整体根结构的改变，从而影响水分和溶质的运输（Galindo-Casta?eda等人，2019）。然而，AMF在寒冷胁迫下调节根解剖特征的潜力仍很大程度上未得到探索。此外，尽管已知AMF可以在各种非生物胁迫下改善离子平衡，但它们在寒冷和铵胁迫共同作用下调节离子吸收和根解剖适应的具体机制仍不清楚，这是一个关键的知识空白。

本研究使用Hordeum jubatum作为植物材料。H. jubatum是一种属于禾本科（Poaceae）Hordeum属的多年生草本植物，在北半球的温带地区广泛分布（Israelsen等人，2011）。作为一种典型的耐盐牧草，H. jubatum在盐碱土修复和畜牧业发展中具有显著价值。同时，其独特的穗状花序和出色的环境适应性使其最近被驯化为观赏草，在景观设计和生态恢复中得到越来越多的应用（Tian等人，2022）。在这里，我们假设：（1）AMF接种和最佳铵氮比的协同效应可以缓解H. jubatum的寒冷胁迫；（2）过高的铵水平会削弱AMF在寒冷胁迫下的缓解作用。为了验证这些假设，我们研究了根的解剖结构和矿物质元素含量。我们提出，整合这些指标将有助于我们更好地理解植物在胁迫下的养分吸收，并为AMF在提高植物抗逆性中的作用提供理论支持。

实验材料、真菌接种物和实验设计

H. jubatum的种子来自中国东北林业大学景观建筑学院的苗圃。种子用75%（v/v）乙醇表面消毒5分钟，然后用无菌蒸馏水冲洗三次，然后播种在装有 autoclaved 蛭石和珍珠岩混合物（3:1, v/v）的盆中。

AMF接种物包括孢子、根片段和含有Funneliformis mosseae的土壤（从园艺学院购买）

根的解剖结构和定量分析

如图1所示，H. jubatum的根具有明显的结构特征，包括皮层和导管，以及紧密排列的内皮和外皮。寒冷胁迫显著降低了H. jubatum的根径，且在高铵处理下的降低程度比在平衡铵氮处理下更明显。

在控制温度下，不同处理之间的根解剖结构没有显著差异。寒冷胁迫显著降低了根径，尤其是在非AMF高铵处理条件下

讨论

植物根具有很高的环境可塑性，能够根据环境变化优化其结构。本研究探讨了硝酸盐/铵比、AMF和低温的协同效应。寒冷胁迫显著抑制了根径、皮层厚度和导管直径，这与棉花（Gossypium hirsutum）（Snider等人，2022）和葡萄（Vitis vinifera）（Gao等人，2014）的研究结果一致。根结构的收缩可能会降低水分传输的能量成本

结论

本研究表明，氮的形式和AMF通过调节根的结构可塑性和离子平衡，协同增强了H. < />的抗寒性。寒冷胁迫损害了根的解剖特征（减小了根径、导管大小和皮层厚度），并破坏了矿物离子平衡，而高铵供应加剧了这些不利影响。相比之下，平衡的铵氮比结合AMF接种有效地减轻了寒冷引起的损伤：它保持了

作者贡献声明

卢淑华：写作 – 审稿与编辑，监督。张京南：数据管理。高冰：正式分析。秦崇远：写作 – 原初稿，研究，正式分析，数据管理，概念化。韩金姬：写作 – 原初稿，研究，数据管理，概念化。潘银诺：研究。王京红：写作 – 审稿与编辑，监督，项目管理，概念化。谭卓然：正式分析。韩英新：研究

未引用参考文献

Crossett和Metz, 2017; Glass, 2003; Malakar和Chattopadhyay, 2021; Shi等人, 2014; Yadav, 2010.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFF1306403-02）、国家自然科学基金（32072666）和中央高校基本科研业务费（2572023CT18-02）的资助。