《Plant Phenomics》：Arbuscular mycorrhizal fungi enhance walnut juglone accumulation via coordinated induction of β-glucosidase genes (
JrBGLUs)
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为解决AMF介导的核桃关键化感物质胡桃醌生物合成调控机制不明的问题，研究人员开展了五株不同AMF对核桃共生及其胡桃醌积累影响的研究。结果表明，AMF接种显著提升了胡桃醌在根(23-49%)和土壤(90-148%)中的积累，并通过上调核桃β-葡萄糖苷酶（BGLU）活性和特定JrBGLU基因家族成员表达来协同促进这一过程，其中Diversispora spurca效果最为显著。该研究首次将AMF、JrBGLU基因表达与胡桃醌积累联系起来，为核桃精准化管理及可持续农林业实践提供了科学依据。
核桃是重要的经济林木，其果实富含营养，深受人们喜爱。然而，核桃树的“性格”却并非总是那么友善，它的根、叶和青果皮中含有一种名为胡桃醌（juglone）的特殊化学物质，这种物质能够抑制周围其他植物的生长，展现了一种被称为“化感作用”的“植物霸权”。这种特性对于核桃自身在自然界中竞争资源是有利的，但对于核桃园的管理以及与其他作物的间作来说，却可能是个令人头疼的问题。胡桃醌的合成并非一成不变，它受到多种因素的影响。有意思的是，土壤中一种与绝大多数植物关系友好的“盟友”——丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi， AMF）——被发现在促进植物生长的同时，也常常会影响植物次生代谢产物的合成，这其中就可能包括胡桃醌。这种“友好盟友”是否会“助力”核桃树的“防御武器”升级？如果可以，那么不同的AMF“盟友”谁更给力？它们又是通过什么内在的“开关”来控制胡桃醌的生产线呢？此前，这些问题尚不清楚。为了揭开这些谜团，一组研究人员开展了一项研究，并已将成果发表在《Plant Phenomics》期刊上。
研究人员采用了温室盆栽实验、生理生化测定与分子生物学分析相结合的方法。他们以‘清香’核桃实生苗为材料，接种了五种不同的AMF菌种，并设置了不接种的对照。经过12周的培养后，系统测定了菌根侵染状况、植株生长指标、根系形态、叶片光合参数、根部和土壤中的胡桃醌含量以及β-葡萄糖苷酶（BGLU）活性。关键技术点包括：利用生物信息学手段从核桃基因组中鉴定出18个BGLU基因家族成员（命名为JrBGLU1-18），并利用定量实时荧光PCR（qRT-PCR）技术分析了这18个基因在不同AMF处理下的表达模式。研究还运用了主成分分析和相关性分析来揭示各变量间的复杂关系。
结果部分如下：
3.1. 核桃根系菌根侵染率的变化
所有接种AMF的处理均成功侵染了核桃根系，形成了典型的根内菌丝、丛枝和泡囊结构，并在根际形成了发达的根外菌丝网络。不同AMF菌种间的侵染率（57%-78%）和土壤菌丝长度（25-45 cm/g）存在显著差异，其中D. spurca（Ds）表现出最高的侵染率和根外菌丝长度。
3.2. 核桃对AMF接种的生长响应
不同AMF菌种对核桃生长的促进作用存在特异性。其中，Ds和F. mosseae（Fm）的促进效果最为全面和显著，显著提高了植株高度、地上部和根系的鲜重与干重生物量。而P. occultum（Po）的促进效果最弱。
3.3. 核桃根系形态对AMF接种的响应
AMF接种改变了核桃的根系形态。Ds、Fm和R. intraradices（Ri）显著增加了根系的总长度、表面积、平均直径和体积，优化了根系的吸收结构。
3.4. 核桃叶片光合对AMF接种的响应
高效的AMF菌种（Ds、Fm、Ri）显著提高了核桃叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），改善了光合性能。
3.5. 核桃根与土壤胡桃醌对AMF接种的响应
所有AMF接种均显著提高了根部胡桃醌含量（增幅23%-49%），其中Ds效果最显著。在根际土壤中，除Po外，其余四种AMF均显著提高了胡桃醌含量（增幅90%-148%），且土壤中胡桃醌的增加幅度远高于根部，表明AMF不仅促进胡桃醌合成，还强烈促进其向土壤的转运。
3.6. 核桃根系JrBGLU家族成员对AMF接种的响应
研究发现，AMF侵染引发了JrBGLU基因家族的广泛转录重编程。五种AMF均能上调一组核心JrBGLU基因（如JrBGLU2/3/4/5/6/9/17/18）。不同AMF菌种上调的基因数量和强度不同，Ds和A. scrobiculata（As）上调的基因数量最多（15个），而Fm对某些基因（如JrBGLU3/4/5/12/16）的上调强度最大。
3.7. 核桃根与土壤BGLU比活性对AMF接种的响应
所有AMF处理均显著提高了根部和土壤中BGLU的酶比活性。根部BGLU活性的增加幅度（39%-124%）明显高于土壤（27%-54%），且Ds对根部BGLU活性的诱导作用最强。
3.8. 主成分分析和相关性分析
主成分分析显示，AMF处理组与对照组明显分离，其中Ds处理的贡献最大。相关性分析进一步揭示，菌根侵染率、土壤菌丝长度、胡桃醌含量和BGLU活性之间均呈显著正相关。尤为重要的是，有11个JrBGLU基因（特别是JrBGLU2/4/6）的表达与菌根侵染、BGLU活性及胡桃醌含量呈显著正相关，表明这些基因在AMF介导的胡桃醌积累中起着核心作用。
研究结论与讨论：
本研究证实了AMF接种能够改善核桃的生长、根系构型和光合作用，并首次揭示了AMF通过协同上调核桃JrBGLU基因家族成员的表达，进而增强BGLU酶活性，最终促进胡桃醌在根中和根际土壤中积累的分子机制。不同AMF菌种在促进生长和诱导胡桃醌方面存在显著差异，Diversispora spurca（Ds）是实现“促进生长”与“增强化感防御”双重效益的最有效菌种。
这项研究的意义重大。它从基因表达层面阐明了AMF调控核桃胡桃醌合成的精确路径，填补了该领域的知识空白。更重要的是，研究结果具有明确的生态和农学启示。AMF带来的这种“双重效应”在实际应用中需要权衡。在单作核桃园中，选用像Ds这样能强力促进生长并高效诱导胡桃醌的菌种，可以同时达到增产和抑制杂草的目的。然而，在核桃与其他作物（如豆类或蔬菜）间作的复合农林业系统中，高水平的胡桃醌可能对伴生作物产生不利影响。此时，则需要选择对胡桃醌诱导作用较弱（如本研究中Po）但仍能促进核桃生长的AMF菌种。因此，该研究强调了根据具体管理目标（最大化单产或最小化化感影响）来精准选择AMF菌种的必要性，为基于微生物接种剂的精准农业和可持续农林业实践提供了关键的科学依据和候选菌株资源。未来研究需要通过基因功能验证（如病毒诱导的基因沉默或稳定过表达）来确认关键候选基因（JrBGLU2/4/6）在胡桃醌生物合成中的具体作用。
