低剂量ABA增强丛枝形成并恢复低pH对该过程的抑制作用

《Plant-Environment Interactions》：Low Dosage of ABA Enhances Arbuscule Formation and Recovers the Inhibitory Effect of Low pH on This Process

　　

丛枝菌根（AM）真菌能够与植物形成共生关系，在增强植物对酸性胁迫的耐受性中发挥重要作用，其中丛枝是该过程的关键结构。然而，在低pH条件下，丛枝发育和功能的响应模式尚不清楚。先前研究表明，脱落酸（ABA）可以调控丛枝发育，但ABA是否在低pH条件下调控丛枝发育和功能尚不明确。在本研究中，研究人员以模式植物番茄（Solanum lycopersicum）为宿主植物，接种AM真菌，以探究低pH和外源ABA对丛枝发育和功能的调控效应。结果表明：（1）随时间推移，菌根定殖增加，丛枝从主干逐渐发育至成熟和衰老阶段；然而，低pH值抑制了丛枝发育。（2）高浓度ABA抑制根系生长和菌根定殖，而低浓度ABA促进菌根定殖，其中10^-7 M被确定为最大化菌根定殖的最佳浓度。（3）低pH和ABA缺陷型突变体均显著抑制菌根定殖、碱性磷酸酶活性以及与丛枝发育相关基因的表达。然而，外源ABA对与丛枝功能相关基因的表达无显著影响。低浓度ABA可以恢复由低pH和ABA缺陷型突变体引起的丛枝发育和功能抑制。此外，低pH显著降低了菌根中的ABA含量，而外源ABA处理显著增加了菌根中的ABA含量。研究结果表明，低剂量ABA增强丛枝形成和功能，并恢复低pH对该过程的抑制作用。低pH可能通过调控根系中的ABA来调节丛枝发育和功能，而ABA可能通过影响脂质合成与转运来调控菌根发育。

**论文解读：低剂量脱落酸调控低pH胁迫下丛枝菌根真菌共生效率的分子机制**

**1. 研究背景与科学问题**

酸性土壤是全球重要的土地资源，但其低pH及其他不利条件会抑制作物根系生长和养分吸收，最终降低作物产量和品质。丛枝菌根（AM）真菌是普遍存在的土壤真菌，能与植物形成专性共生关系，显著增强植物对pH胁迫的耐受性。在AM共生中，丛枝是实现养分交换的核心结构，其发育和功能直接决定共生效率。植物激素作为信号分子，在调控植物与AM真菌共生中起关键作用。脱落酸（ABA）是植物响应非生物胁迫的信号分子，对AM真菌定殖过程具有重要调控作用。已有研究表明，ABA浓度依赖性地影响AM定殖：低浓度（5 μM）促进定殖，高浓度（50 μM）则显著抑制。此外，ABA缺陷型突变体（如番茄sitiens突变体）的菌根定殖和丛枝形成被严重抑制，而外源ABA可部分恢复。尽管ABA的作用已被认识，但低pH条件下ABA调控丛枝发育和功能的机制仍不明确。此外，酸性土壤环境复杂，除了pH降低，还伴随着铝离子浓度升高等因素。为排除干扰，研究人员采用MSR培养基建立无菌培养体系，以探究低pH对AM发育的特异性影响。本研究旨在通过ABA缺陷型突变体和野生型番茄接种AM真菌（Rhizophagus irregularis DAOM197198），在不同时间点考察菌根发育与ABA代谢水平的关系，从而阐明低pH条件下ABA在植物-AM真菌共生中的响应模式。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用了以下关键方法：（1）材料来源：番茄ABA缺陷型突变体（flc、sit、not）及其相应野生型（Rheinlands Ruhm、Micro-Tom）种子购自加州大学戴维斯分校番茄遗传资源中心（TGRC）；商业品种‘新金丰1号’购自广州市场。AM真菌Ri. DAOM197198购自加拿大Premier Tech。（2）采用改良Strullu-Romand（MSR）培养基建立无菌双培养体系，设置pH 4.5和pH 6.5两个梯度。（3）通过ABA浓度梯度实验（10^-4至10^-8 M）确定最佳外源ABA浓度。（4）使用台盼蓝染色和WGA Alexa Fluor 488/碘化丙啶（PI）双染法观察丛枝发育阶段（分为I-V期）。（5）采用高效液相色谱-紫外检测（HPLC-UV）定量根系ABA含量。（6）应用qRT-PCR分析相关基因（SlPTs、EXO70s、RAM2、STR2）的表达水平。（7）通过碱性磷酸酶（ALP）活性染色评估AM真菌功能。

**3. 研究结果**

**4.1 不同处理对根系生物量的影响**
随着培养时间延长，根系生物量持续增加。低pH倾向于抑制根系生物量增长，尤其在接种后8周（WAI）时显著降低；而AM真菌接种在4 WAI和8 WAI时显著促进根系生物量。但到12 WAI时，各处理间差异不再显著，可能是因为根系进入衰老期且培养基养分受限。整个实验期间，pH与AM接种对根系生物量无显著交互作用。

**4.2 低pH对菌根定殖的影响**
随培养时间延长，菌根定殖逐渐增加。在8 WAI时，低pH显著抑制菌根定殖强度（M%）和相对定殖强度（m%），而在12 WAI时仅定殖频率（F%）显著低于pH 6.5处理。这表明低pH可能抑制AM真菌的侵染能力。

**4.3 低pH对丛枝发育动态的影响**
随培养时间延长，丛枝从幼龄期向成熟和衰老期推进。低pH显著延缓了丛枝的发育进程，导致丛枝更长时间停留在早期阶段（I期），而成熟期（IV、V期）比例降低。

**4.4 低pH和接种AM真菌对根系ABA含量的影响**
在4 WAI时，低pH显著抑制根系ABA积累，而AM接种无显著影响，且观察到pH与AMF处理的显著交互作用。在8和12 WAI时，处理间ABA含量无显著差异。

**4.5 最佳ABA浓度**
高浓度ABA（10^-4、10^-5 M）严重抑制根系生长和菌根定殖；低浓度ABA（10^-7、10^-8 M）促进生物量。10^-7 M ABA处理的菌根定殖强度（M%）、相对定殖强度（m%）和相对丛枝丰度（A%）均显著高于对照，且孢子产量也显著增加，因此确定为最佳浓度。

**4.6 不同处理对根系生物量（突变体实验）**
在ABA缺陷型突变体not中，外源ABA处理显著增加根系生物量，而低pH和AM接种无显著影响。野生型MT的生物量在各处理间无显著差异。

**4.7 ABA在低pH条件下对AM真菌侵染的调控模式**
低pH显著降低野生型MT的丛枝丰度（A%）。突变体not的F%、A%和a%均显著低于野生型。外源ABA显著提高野生型的M%、m%和A%，以及突变体的F%、M%和m%，表明外源ABA部分恢复了菌根定殖。双因素方差分析显示ABA对F%、M%、m%、A%有显著影响，pH对A%和a%有显著影响。

**4.8 ABA在低pH条件下对丛枝发育过程的影响**
低pH条件下，不同基因型根系的丛枝发育状态倾向于停留在幼龄期（数值更接近1），尤其在sit和not突变体中达到显著水平；正常pH下丛枝呈成熟状态。外源ABA处理对丛枝发育阶段无显著影响，说明ABA不改变丛枝的发育进程。

**4.9 ABA在低pH条件下对AM真菌功能的调控模式**
低pH未显著影响野生型根的ALP活性，但显著抑制突变体not的ALP相关参数。外源ABA显著增强野生型根的ALP活性（M%、m%）和突变体的F%、a%。ABA缺陷型突变体的所有ALP参数均显著低于野生型，表明ABA合成缺陷抑制了AM真菌功能。此外，低pH显著抑制了磷酸转运蛋白基因SlPT1和SlPT5的表达，而ABA处理对SlPT基因家族整体表达无显著影响；AM接种显著诱导SlPT1、SlPT2和SlPT5的表达。

**4.10 ABA对EXO70s和脂质合成/转运相关基因表达的影响**
低pH显著抑制EXO70A1-like（LOC101253481）基因的表达，而对EXO70A1-like（LOC101261477）和EXO70B1无显著影响。在not突变体中，EXO70A1-like（LOC101253481）表达量显著低于野生型。在AM接种条件下，ABA处理显著提高了RAM2和STR2的表达；而在not突变体中，RAM2和STR2的表达量显著低于野生型。

**4.11 外源ABA对低pH下菌根内源ABA含量的影响**
在野生型MT菌根中，低pH显著抑制ABA含量，而外源ABA处理显著增加ABA含量，且pH与ABA存在显著交互作用。这表明低pH通过降低内源ABA水平抑制丛枝发育和功能，外源ABA可逆转这一效应。

**4. 总结与讨论**

本研究揭示了低pH胁迫下外源ABA调控AM共生效率的关键机制。讨论部分首先指出，不同基因型番茄毛状根对低pH的敏感性存在显著差异：商业品种‘新金丰1号’在8 WAI时对pH响应敏感，而野生型和突变体材料因长期适应稳定环境或用于种质保存，表现出较强的环境适应能力，因此对低pH不敏感。其次，低pH通过抑制丛枝发育（尤其是EXO70A1-like基因表达）和降低ALP活性及磷酸转运蛋白基因表达，从而削弱菌根功能。第三，适宜浓度的ABA（10^-7 M）可促进菌根定殖和ALP活性，但不会加速丛枝衰老；且ABA对磷酸转运蛋白基因的转录水平无显著影响，可能与植物本身养分充足有关。第四，外源ABA能够恢复ABA缺陷型突变体和低pH条件下菌根定殖和功能的抑制，表明ABA是AM真菌侵染过程的关键调节因子。第五，ABA可能通过调控宿主脂质合成与转运（如RAM2和STR2基因）来影响丛枝发育。最后，低pH通过降低根系内源ABA含量来抑制丛枝形成和功能，而外源ABA通过提高内源ABA水平缓解这一抑制。

**5. 研究结论**

本研究揭示了外源ABA在低pH条件下调控AM共生效率的关键机制，为缓解酸性红壤胁迫、提高作物生产力提供了新的理论基础和潜在策略。首先，低pH环境显著抑制AM真菌定殖及其关键结构丛枝的形成；然而，施用适宜浓度的外源ABA可有效逆转这一抑制作用，不仅促进菌根发育，还显著增强AM真菌的生理功能，尤其是在ABA缺陷型植物中。其次，机制研究表明，ABA通过调控宿主脂质生物合成和转运途径介导丛枝的发育和功能维持；同时，低pH胁迫通过破坏根系内源ABA稳态间接影响菌根共生的建立和效率。这些结果阐明了ABA在代谢和信号水平上对植物-微生物互作的核心调控作用。此外，本研究首次发现番茄毛状根系统对低pH胁迫的响应存在显著基因型差异，为耐酸作物品种的选育提供了重要的遗传资源和筛选标准。总之，本研究深化了对ABA信号在AM共生响应酸胁迫中的生理和分子机制的理解，并为通过微生物与植物的协同调控提升酸性红壤农业系统的生态功能和生产潜力提供了新视角。未来工作将进一步分析不同作物基因型与AMF组合的协同抗逆机制，以及ABA类似物或菌根生物制剂在田间实践中的应用研究，以促进红壤地区农业的可持续发展及生态与生产效益的双重提升。