《Journal of Plant Growth Regulation》：Early-onset Dynamics of Arbuscular Mycorrhizal Symbiosis Reprogram Metabolic and Physiological Responses in Tomato Roots
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本研究针对丛枝菌根真菌（AMF）与番茄早期共生建立机制尚不明确的问题，深入探讨了在不同施用方式（种子引发与萌芽后接种）下，AMF定植一个月内的动态变化。通过整合根系与根系分泌物的代谢组学、形态学与生理学分析，研究发现AMF在共生初期会诱导“代谢成本”，减缓植株生长，但可促进光合效率，并将资源重新分配至次生代谢与招募化合物的分泌，最终在约27天后完全建立共生。这为优化AMF农业应用策略以增强作物适应性和可持续性提供了重要见解。
在全球气候危机加剧与人口持续增长的双重压力下，保障粮食安全已成为全球性重大挑战。现代农业中，利用生物刺激素来提升作物抗逆性和生产力是一种日益普遍的策略。其中，丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）作为一类重要的微生物生物刺激素，能够与绝大多数陆地植物形成共生关系，帮助植物抵御各种生物和非生物胁迫，改善养分吸收。尽管AMF的长期益处已被广泛记载，但其在共生建立初期，尤其是在没有胁迫的环境下，如何与植物相互作用、这一过程对植物早期生长和生理代谢有何具体影响，人们却知之甚少。这种“从接种到完全共生”的早期动态黑箱，限制了我们对AMF作用机制的全面理解，也影响了其应用策略的优化。为了揭开这层迷雾，一支研究团队以番茄（Solanum lycopersicum L.）为模式植物，开展了一项精细的时序研究，其成果发表在《Journal of Plant Growth Regulation》上。
为了系统揭示AMF早期共生的动态过程，研究人员主要运用了几项关键技术。首先，他们设定了两种AMF施用方式：种子引发（AMF-S）和在播种后13天的萌芽后接种（AMF-I），并设置了四个关键时间点（播种后19、23、27和35天）进行采样，构建了一个时间分辨的研究框架。其次，他们采用了非破坏性的表型成像系统，对植株叶面积和叶绿素荧光参数（如Fv/Fm、NPQ等）进行持续监测，以评估生长和光合生理的动态变化。第三，通过根组织化学染色和显微镜观察，定量评估了不同时间点AMF的根定植率。第四，也是核心部分，研究人员利用超高效液相色谱-离子淌度-四极杆飞行时间质谱（UHPLC/IM-QTOF-MS）平台，对番茄根系组织及其分泌物进行了非靶向代谢组学分析，从而在分子层面描绘了共生建立过程中的代谢重塑图谱。最后，所有形态、生理和代谢数据均通过方差分析（ANOVA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）等多变量统计方法进行深入挖掘，以辨识关键影响因素和生物标志物。
AMF相互作用差异性调节番茄植株生长
研究初期（19 DAS），AMF处理显著抑制了番茄的地上部生物量和叶面积发育，其中接种处理（AMF-I）的抑制作用更为明显，表明共生建立初期存在显著的“代谢成本”。然而，从23 DAS开始，这种生长抑制得到缓解。到27 DAS，植株生物量翻倍，进入快速生长期，此时种子引发处理（AMF-S）的植株叶面积已与对照无异。至35 DAS，各处理地上部生物量趋于一致，但AMF处理的根系鲜重显著低于对照，暗示资源分配向地上部和支持共生维持的方向倾斜。
随时间推移的AMF菌根化进程
AMF根定植率（%RC）随时间逐渐增加。从27 DAS开始，AMF-S处理的定植率显著高于AMF-I和对照，并在35 DAS继续保持优势，最高达到约14%的定植率。这表明种子引发方式能促进AMF更渐进、更有效地定植。
AMF处理影响光合性能
在整个观测期，AMF处理总体上维持了较好的光合系统II最大光化学效率（Fv/Fmmax），数值均高于0.75。值得注意的是，在35 DAS时，对照植株的Fv/Fmmax出现显著下降，而AMF-S处理的植株则保持了稳定的光合性能，说明AMF定植有助于维持光能转换效率。此外，在23 DAS时，AMF-I处理植株的非光化学淬灭（NPQLss）值较低，表明其在共生建立初期耗散了更多过剩光能。
AMF影响根长和形态
与生物量数据一致，AMF处理抑制了根系的发育。从27 DAS起，AMF处理植株的根总长度、表面积、平均直径和体积均显著低于对照，且在35 DAS时差异最为明显。这进一步证实了共生建立会导致植物资源重新分配，根系生长减缓。
非靶向代谢组学显示根系代谢因AMF施用方法不同而异
代谢组学分析揭示了强烈的时序效应，植株生长阶段是导致根系代谢物变异的主要因素。通过AMOPLS-DA模型分析，可以区分AMF处理与对照的代谢差异。具体而言，在19 DAS，AMF-I处理引发了根系初级代谢（如氨基酸、碳水化合物、脂肪酸）和次级代谢（如类异戊二烯、苯丙烷类化合物）的广泛上调；而AMF-S处理则表现为代谢下调。随着时间推移，两种处理均显示出对苯丙烷类和类异戊二烯等次级代谢通路的调节，这些化合物在植物-AMF信号交流中起关键作用。通路分析表明，AMF促使碳源分配转向次级代谢和招募化合物的生物合成。
不同AMF施用方法对番茄植株分泌谱的影响
根系分泌物的代谢组学分析同样显示时序是主要变异来源。与对照相比，AMF处理显著丰富了根系分泌物中的化合物种类，特别是苯丙烷类（如香豆素、呋喃香豆素、类黄酮）和类异戊二烯化合物。在共生建立后期（35 DAS），AMF-I处理诱导分泌了更多的苯丙烷类、二萜和糖苷；而AMF-S处理则引发了更广泛的化合物分泌，包括异黄酮、羟基苯甲酸酯和吡喃酮等。这些分泌物在吸引AMF、调控根际微生物区系以及维持共生稳定性方面具有重要作用。
本研究通过多组学与表型分析相结合的策略，系统阐释了AMF与番茄早期共生的动态过程与机制。结论表明，AMF定植是一个动态的、有“代谢成本”的过程。在建立初期（约19 DAS），AMF，尤其是萌芽后接种方式，会暂时抑制植株生长，并引发显著的代谢重编程，将资源导向共生建立相关的次级代谢途径。种子引发方式能使共生更渐进地建立，从而减少初始代谢紊乱。随着时间的推移（约27 DAS），共生关系完全建立，植株进入快速生长期，并表现出光合性能的维持或提升。至35 DAS，AMF处理的植株通过调整资源分配（减少根系投资，维持地上部生长）和持续分泌特定的招募化合物（如苯丙烷类、类异戊二烯）来维持共生关系。研究表明，AMF早期定植会延迟植物的生理恢复，但成功的共生最终能使植物受益。施用方式（种子引发 vs. 萌芽后接种）显著影响了早期生理响应和代谢成本，其中种子引发是一种能促进更平稳、更有效共生的策略。这项工作不仅增进了对植物-微生物共生早期对话机制的理解，而且为在农业实践中优化AMF接种时机和方法，以最大化其促进生长、增强抗逆的效益，同时最小化初始生长抑制，提供了重要的科学依据和实践指导。
