《Horticultural Plant Journal》：Piriformospora indica colonization alleviates selenium stress in
Broussonetia papyrifera: Insights from transcriptomic approaches and the key role of
BpSBP1
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为解决高硒胁迫抑制构树(Broussonetia papyrifera)生长、限制其作为富硒饲料应用潜力的问题，研究人员开展了P. indica真菌如何缓解硒胁迫的生理与分子机制研究。研究发现，P. indica通过调节MAPK信号、抗氧化系统（如AsA-GSH循环）及下调硒代谢关键基因（如APR1、SAT3、HMT3、SBP1），有效恢复了构树的生长并降低了有机硒累积。BpSBP1被鉴定为调控硒耐受性的核心因子。该研究为微生物修复和培育耐硒饲用林木提供了新策略。
在追求健康饮食的今天，硒作为一种人体必需但自身无法合成的微量元素，其重要性日益凸显。它不仅是多种硒蛋白的核心成分，更在增强免疫力、预防心血管疾病和癌症方面扮演着关键角色。然而，一个严峻的现实是，全球土壤中硒的分布极不均匀，导致许多地区人群面临“隐性饥饿”——硒摄入不足，进而增加了克山病、大骨节病等地方性疾病的风险。为了应对这一挑战，功能农业应运而生，试图通过生物强化技术培育富含特定微量营养素的农作物。构树(Broussonetia papyrifera)，这种兼具造纸、生态修复和饲料生产潜力的多用途经济林木，被认为是开发富硒饲料的优良候选者。但好事多磨，高浓度的硒对大多数非超积累植物而言是“毒药”，会严重抑制其生长，这极大限制了构树在硒强化应用中的前景。
就在科学家们为此烦恼时，大自然的“盟友”——微生物，进入了视野。其中，一种名为Piriformospora indica (P. indica)的内生真菌因其卓越的增强宿主植物抗逆性（如抗旱、耐盐、抗重金属）的能力而备受关注。那么，这位“真菌朋友”能否帮助构树抵御硒的毒害，让构树在富含硒的土壤中健康成长，成为可靠的富硒饲料来源呢？为了回答这个问题，长江大学园艺园林学院的研究团队展开了一项深入的研究，相关成果发表在《Horticultural Plant Journal》上。他们的探索不仅揭示了P. indica缓解硒胁迫的生理与分子蓝图，更发现了一个名为BpSBP1的关键“调控开关”，为未来通过微生物与基因工程联合策略培育耐硒作物开辟了新道路。
为了系统揭示P. indica如何帮助构树应对硒胁迫，研究人员运用了多项关键技术。他们首先设置了包括对照组、单加硒(Se)、单接种P. indica (P)以及联合处理(P+Se)在内的实验组，对构树幼苗进行系统处理。通过对植株生长、硒含量、抗氧化指标（如MDA、脯氨酸、SOD、CAT、APX、GR）、渗透调节物质（可溶性糖、可溶性蛋白）及次生代谢物（类黄酮、酚酸）的测定，全面评估了不同处理下的生理响应。在分子机制层面，研究团队对根和叶组织进行了转录组测序(RNA-Seq)，通过差异表达基因(DEG)分析、KEGG通路富集分析、基因集富集分析(GSEA)以及加权基因共表达网络分析(WGCNA)，挖掘了关键的响应通路和枢纽基因。基于转录组数据筛选出的候选基因BpSBP1，研究人员进一步通过克隆、亚细胞定位（在本氏烟中瞬时表达）、在普通烟草(Nicotiana tabacum)中稳定过表达以及转基因植株的硒耐受性和硒积累验证实验，完成了其功能的体内验证。
3.1. 硒和P. indica对构树生长的影响
通过观察和测量发现，单独硒处理严重抑制了构树地上部和根部的生长，生物量显著下降。而单独接种P. indica则能促进生长。最关键的是，P. indica与硒共处理(P+Se)能够显著逆转硒单独处理引起的生长抑制，使生物量、株高和叶片数恢复甚至超过对照水平。显微镜观察证实P. indica成功定殖于构树根系。
3.2. 硒和P. indica对营养成分的影响
硒处理降低了根系可溶性糖，但P+Se处理使其显著回升。硒处理提升了游离氨基酸含量，而P+Se处理使其恢复至对照水平。可溶性蛋白和总蛋白含量在不同组织和处理间变化复杂，但P+Se处理在根系中诱导了最高的可溶性蛋白。
3.3. 总硫、总硒含量及硒形态
硒处理强烈抑制了硫的积累，但P+Se处理缓解了这种硫缺乏。硒处理导致硒在根和叶中大量积累，而P+Se处理显著降低了总硒含量，表明P. indica抑制了过量的硒吸收。硒形态分析显示，叶片中仅检测到硒代蛋氨酸(SeMet)，且Se处理下含量最高；根系中硒处理积累了SeMet、硒代胱氨酸(SeCys2)和硒酸盐(SeO42-)，而P+Se处理下未检测到SeO42-。
3.4. 酚酸、类黄酮、脯氨酸、MDA含量及抗氧化酶活性
硒处理导致氧化应激指标丙二醛(MDA)和脯氨酸含量急剧上升，而P+Se处理使其恢复至接近对照水平。硒处理提升了叶片酚酸含量但降低了根系类黄酮，P+Se处理则调整了这些次生代谢物的水平。在抗氧化酶方面，硒处理降低了过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性，但诱导了抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性。P+Se处理使这些酶的活性大多恢复正常或对照水平。
3.5. 富集的KEGG通路和硒相关DEGs
转录组分析发现，硒胁迫在叶片中富集了MAPK信号、类黄酮生物合成等通路，在根系中富集了MAPK信号、半胱氨酸和蛋氨酸代谢等通路。P+Se处理则在叶片中富集了转录因子、信号转导等通路。研究鉴定出6个硒代谢关键基因，包括ATP硫酸化酶(APS1)、腺苷5‘-磷酰硫酸还原酶(APR1)、丝氨酸O-乙酰转移酶(SAT3)、高半胱氨酸S-甲基转移酶(HMT3)、S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAM4)和硒结合蛋白(SBP1)。在叶片中，硒处理显著上调了SBP1、HMT3和SAT3，而P+Se处理则强烈下调了它们的表达。相关性分析显示，叶片中HMT3、SAT3和SBP1与硒含量呈强正相关。
3.6. 基因集富集分析
GSEA分析显示，P+Se处理相较于硒处理，在根和叶中均显著富集了核糖体通路。在根中还富集了二萜生物合成通路，在叶中富集了RNA聚合酶通路。这些通路上调的关键基因可能参与了P. indica介导的硒胁迫缓解。
3.7. 加权基因共表达网络分析及枢纽基因鉴定
WGCNA鉴定出15个共表达模块，其中洋红色、紫色和红色模块与硒含量高度相关。这些模块中的基因富集于信号转导、淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导等通路。从各模块中鉴定出的前30个枢纽基因包括WRKY25、bHLH、MYC2、MYB113、WRKY33、MYB75等转录因子，以及ABCB1转运蛋白、蔗糖合酶(SUS)等。
3.8. BpSBP1的亚细胞定位
由于BpSBP1表达与硒含量高度相关，研究团队对其进行了功能验证。亚细胞定位表明，BpSBP1-GFP融合蛋白的信号与核标记mCherry广泛重叠，表明BpSBP1主要在细胞核，也在细胞质中发挥作用。
3.9. 过表达BpSBP1对烟草硒耐受性的影响
在烟草中过表达BpSBP1显著增强了植株对硒胁迫的耐受性，转基因株系根系更长，叶片保持绿色。更重要的是，转基因植株叶片中的总硒和硒代蛋氨酸(SeMet)积累量显著低于野生型，而无机硒(Se(IV))含量增加。qRT-PCR分析表明，BpSBP1过表达下调了硒同化途径上游基因（如NtAPS1/2/6, NtSAT1）的表达，同时改变了其他同源基因的表达模式，从而抑制了有机硒的生物合成。
这项研究通过整合生理学、转录组学和分子生物学实验，系统地阐明了内生真菌P. indica帮助构树抵抗硒胁迫的机制，并鉴定了一个具有关键调控作用的新基因BpSBP1。
结论与讨论部分对上述发现进行了深入的综合与阐释。研究表明，过量硒通过诱导活性氧(ROS)爆发导致氧化应激，从而抑制构树生长。P. indica的定殖有效缓解了这一过程，其机制是多方面的：首先，P. indica通过增强抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环等抗氧化防御系统，清除了过量ROS，使MDA、脯氨酸等胁迫指标恢复正常，并挽救了CAT、SOD等酶的活性。其次，转录组分析揭示，P. indica调控了MAPK信号通路、植物激素信号转导以及类黄酮生物合成等关键途径，这些通路与ROS信号网络交织，共同协调植物的胁迫响应。尤为重要的是，研究发现了硒结合蛋白基因BpSBP1的核心作用。在构树中，BpSBP1受硒胁迫强烈诱导，而P. indica处理则下调其表达，这与氧化应激的缓解同步。功能验证出人意料地表明，过表达BpSBP1并未增加硒积累，反而通过抑制硒同化途径上游基因（如APS、SAT1）的表达，减少毒性较大的有机硒（SeMet）的形成，同时可能促进硒向毒性较低的无机形态转化或区室化隔离，从而增强植物的硒耐受性。这颠覆了以往过度表达硒代谢基因通常导致硒超积累的认知，揭示了BpSBP1一种全新的、以“减排”为特征的硒解毒调控模式。
基于这些结果，研究提出了一个P. indica–BpSBP1介导的硒解毒网络模型。在硒胁迫下，高ROS水平激活BpSBP1，后者通过抑制有机硒合成来减少毒害；当P. indica存在时，它通过强化抗氧化系统等方式降低ROS，从而间接减弱BpSBP1的激活，使植物在生长和硒解毒之间达到更优平衡。该研究不仅为利用P. indica等微生物修复硒污染土壤、培育耐硒饲用构树提供了坚实的理论和实践基础，其发现的BpSBP1基因更提供了一个宝贵的遗传工具，有望用于改造其他作物，使其在硒含量较高的土地上正常生长而不至于累积过量硒，这对于保障粮食安全、发展可持续农业具有重要的战略意义。
