编辑推荐：
丛枝菌根（AM）真菌与番茄共生显著影响铁（Fe）稳态。研究发现，在铁限制条件下，AM真菌可上调番茄根系中铁吸收相关基因（如SlFRO1、SlIRT1）的表达，增强铁的获取，并部分缓解缺铁引起的营养失衡。同时，铁在含有丛枝的皮层细胞中积累，表明AM真菌和宿主细胞可作为铁库。然而，铁的有效性对AM真菌的定殖和功能维持至关重要，缺铁条件会下调多个AM标志基因（如SlEXO84、SlRAM1、SlAMT2.2、SlPT4）的表达。该研究揭示了铁可用性与AM共生之间复杂的双向互作机制。
引言：铁与菌根共生的紧密联系
铁是植物生长发育必需的微量营养素，然而在碱性土壤中常以生物可利用性较低的三价铁形式存在，易导致植物缺铁。植物进化出高效的策略I（非禾本科植物）和策略II（禾本科植物）铁吸收机制。除了这些内在途径，植物还可通过与土壤有益微生物共生来应对缺铁，其中丛枝菌根（AM）真菌是参与植物矿质营养的最主要共生菌群之一。尽管AM真菌在磷、锌、铜营养中的角色已被确认，但其在铁营养中的作用多变且常不一致，分子机制尚不清楚。本研究选用对缺铁敏感的策略I模式植物番茄，系统探究了AM真菌与铁有效性之间的双向影响。
材料与方法
研究采用番茄品种'Moneymaker'，接种AM真菌Rhizophagus irregularis，在含铁（对照）或缺铁的营养液中进行培养。通过测定生物量、组织铁浓度、铁转运因子，以及利用Perls染色进行根横切面铁定位分析，评估生理响应。通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析番茄AM相关基因（SlEXO84、SlRAM1、SlAMT2.2、SlPT4）和铁稳态相关基因（SlFRO1、SlIRT1、SlNRAMP1、SlNRAMP3、SlCHLN）的表达。此外，鉴定了番茄基因组中四个液泡铁转运蛋白（VIT/VTL）家族基因（SlVIT1、SlVIT2、SlVTL1、SlVTL2），并通过酵母互补实验验证其转运功能。通过电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）分析离子组，探讨AM和铁有效性对整体营养状况的影响。
结果1：铁缺乏与菌根定殖均减少根到茎的铁转运
与缺铁的非菌根化植物相比，缺铁并未显著影响菌根化植物的根系鲜重。无论铁处理如何，菌根化均降低了地上部的铁浓度，但显著增加了根系的铁浓度，从而导致铁转运因子（地上部/根部铁浓度比）在缺铁和菌根化条件下均降低。这表明AM真菌改变了铁在植物体内的分布，使其更多地保留在根系。
结果2：皮层丛枝定殖细胞是菌根根系中的铁积累位点
为探究根系高Fe浓度的原因，研究者对根横切面进行了Perls染色。结果显示，在含有丛枝的菌根根系皮层细胞中，出现了蓝色的Perls沉淀，表明铁在真菌结构中积累，这至少部分解释了菌根植物中铁转运减少的现象。非菌根化根或阴性对照中未检测到信号。
结果3：铁缺乏下调菌根相关基因表达
为研究缺铁对AM的影响，分析了多个AM标志基因的表达。在缺铁条件下，所有分析的番茄AM相关基因（SlEXO84、SlRAM1、SlAMT2.2、SlPT4）以及真菌组成型表达基因RiEF1α的表达均被显著下调，表明铁的有效性对维持AM定殖和共生功能至关重要。
结果4：铁缺乏响应基因的表达模式
在缺铁条件下，策略I铁吸收系统的首个组分SlFRO1在菌根根系中被强烈诱导表达。铁渗透酶SlIRT1在缺铁菌根根系中上调，但在铁充足条件下，菌根根系中的SlIRT1表达水平低于非菌根根系。这表明AM仅在铁限制条件下增强了策略I铁获取途径。铁转运蛋白基因SlNRAMP1在铁充足条件下于菌根根系中表达增加，而SlNRAMP3在缺铁或菌根化条件下表达下调。参与烟酰胺合成的SlCHLN在缺铁和菌根化条件下表达下调，这可能与根到茎的铁转运减少有关。
结果5：铁缺乏与AM下调液泡铁转运蛋白SlVIT/VTL家族基因
研究者在番茄基因组中鉴定了四个液泡铁转运蛋白（VIT/VTL）家族候选基因。在缺铁条件下，非菌根根系中SlVIT1、SlVIT2、SlVTL1和SlVTL2的转录水平均降低。在铁充足条件下，菌根化显著降低了SlVIT1和SlVTL1的表达。酵母互补实验表明，SlVIT1、SlVTL1和SlVTL2是功能性的Fe/Mn双效转运蛋白，而SlVIT2似乎主要作为Mn转运蛋白。AM对Fe的高需求得到了菌根根系中SlVIT1和SlVTL1表达减少的支持。
结果6：铁缺乏与菌根化重塑番茄离子组
离子组分析显示，AM定殖和铁缺乏均显著影响了地上部和根系的营养谱。在缺铁条件下，非菌根化植物的地上部离子组发生显著改变，但菌根化植物中的这些变化较为缓和。AM共生部分缓解了缺铁诱导的地上部营养失衡，例如钙、硫、钾和锌的水平在缺铁菌根植物中未受影响。在根系中，AM定殖一致性地增加了铜和铁的含量，无论铁的有效性如何。这表明AM在铁胁迫下有助于改善矿质稳态。
讨论1：植物生长响应与AM的贡献
从生理角度看，缺铁条件下非菌根植物根系生物量的增加可能是一种增强土壤探索的适应性策略。菌根植物未表现此响应，可能归因于根外菌丝提供的扩展吸收表面积。研究中应用的缺铁处理可能代表中度缺乏，这解释了为什么在非菌根植物中地上部生物量未观察到显著差异。
讨论2：丛枝定殖细胞作为铁库：对铁滞留的启示
研究首次报告了铁在丛枝定殖的皮层细胞中积累。一种可能的解释是真菌充当了铁库，这一假设得到先前研究的支持，该研究表明R. irregularis铁吸收转运蛋白RiFTR1在菌根根系，尤其是在含丛枝的细胞中高表达。同时，定殖的皮层细胞可能保留铁以支持与真菌定殖相关的深刻结构和代谢重编程。观察到的植物液泡铁转运蛋白基因SlVIT1和SlVTL1的表达减少，可能与减少铁向液泡的隔离一致，从而增加丛枝定殖细胞中胞质铁的可用性。
讨论3：铁有效性调节AM共生
与铁在共生相互作用中的重要性一致，番茄AM相关基因的下调以及RiEF1α在缺铁菌根根系中较低的表达，表明铁的有效性对番茄的AM定殖和功能至关重要。考虑到铁对植物和真菌代谢都必不可少，缺铁下菌根定殖的抑制可能反映了该微量营养素在AM建立和功能中的关键作用。
讨论4：AM共生以铁依赖性方式调节铁吸收途径
关于AM对番茄铁响应基因表达的影响，数据揭示了对铁吸收、分布和储存关键基因的铁依赖性差异调节。在铁限制条件下，SlFRO1和SlIRT1在菌根根系中被上调，支持了菌根植物根际铁生物可利用性增加的观点。相反，在铁充足条件下，SlFRO1无法检测到，SlIRT1在菌根根系中被下调。这些发现表明，AM仅当铁限制时才增强策略I铁获取途径，突显了AM介导的铁稳态调节的情境依赖性。
讨论5：SlVIT/VTL转运蛋白的功能作用及其受AM调节
对铁的高需求得到了菌根根系中液泡铁转运蛋白SlVIT1和SlVTL1表达减少的支持。功能分析显示，SlVIT1、SlVTL1和SlVTL2能够转运铁和锰，而SlVIT2似乎是锰转运蛋白。与它们在通过将铁隔离到液泡中来维持铁稳态的作用一致，SlVIT1、SlVTL1和SlVTL2的表达在缺铁条件下被下调。有趣的是，SlVIT2在菌根根系中表达上调，同时锰含量增加，表明该微量营养素在AM中具有积极作用。
讨论6：AM共生缓冲缺铁下的营养失衡
关于离子组数据，结果表明AM定殖部分缓解了缺铁条件下番茄地上部离子组的变化。缺铁已知对养分吸收、分布和代谢稳态产生直接和间接影响，导致植物离子组的实质性变化。研究发现，在AM定殖植物中，钙、硫、钾和锌水平未受缺铁影响，突显了AM共生在缓冲营养失衡和在铁胁迫下维持更稳定离子组谱方面的作用。数据还显示，AM共生对营养谱的影响高度依赖于铁的有效性，在铁充足条件下影响显著，但在缺铁期间影响有限。
结论
本研究的数据表明，铁的有效性是决定番茄AM共生的关键因素。AM定殖调节了参与铁吸收、转运和储存的相关基因的表达，同时铁在含丛枝的细胞中积累，表明真菌和定殖的宿主细胞都可能充当铁库。此外，AM根系中锰水平的增加和SlVIT2的诱导，指向微量营养素稳态在共生中更广泛的作用。总之，这些发现揭示了营养途径复杂且依赖于情境的调节，平衡了植物和真菌的需求，并强调了进一步探索AM相互作用中铁转移和微量营养素动态机制的重要性。
