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基本信息

主題：鹽脅迫下哈蒂氏網在外生菌根對植物硝酸鹽吸收改善中的作用

期刊：New phytologist

影響因子：8.512

研究使用平臺：NMT植物-微生物互作創新科研平臺

標題：Amelioration of nitrate uptake under salt stress by ectomycorrhiza with and without a Hartig net

作者：北京林業大學陳少良、撒剛、鄧晨

檢測離子/分子指標

NO₃^-，H⁺

檢測樣品

銀灰楊根

中文摘要

鹽脅迫是阻礙楊樹吸收氮素營養的重要環境因子。本文描述了鹽度對外生菌根中質子驅動的硝酸鹽流速的影響以及哈蒂氏網對硝酸鹽吸收的重要性。研究采用兩種卷邊網褶菌（Paxillus involutus）菌株進行根部定殖：一種是MAJ，形成典型的外生菌根結構（地幔和哈蒂氏網），一種是NAU，定殖根具薄而疏松的菌絲鞘。將真菌定殖和非定殖的銀灰楊（Populus canescens）用NaCl處理后，檢測根表面pH、NO₃^-流速、硝酸鹽轉運蛋白（PcNRT1.1、1.2、2.1）和質膜H⁺-ATPase（PcHA4、8、11）的轉錄。不論是否存在哈蒂氏網，菌株定殖都能增強根系NO₃^-的吸收，降低表面pH值并刺激宿主植物的NRTs和HA4。在鹽脅迫下，未定殖的根部表現出較強的凈NO₃^-外排，而真菌定殖對根表面pH和H⁺-ATPase的有益作用避免了NO₃^-的損失。在所有條件下，抑制H⁺-ATPases可消除NO₃^-內流。研究發現，ATPase對于外植體對NO₃^-吸收的有利影響是至關重要的，而哈蒂氏網的存在對于NO₃^-轉運的改善并不是必需的。菌根可能會通過保持NO₃^-營養來促進宿主植物適應鹽害環境。

離子/分子流實驗處理方法

將銀灰楊的根分別在有無P. involutus菌株（MAJ和NAU）的情況下接種30 d，然后再用0或100 mM NaCl處理24 h（短期，ST）或7 d（長期，LT）。

離子/分子流實驗結果

由于¹⁵N跟蹤確實揭示了運輸的N化合物的身份，研究使用NMT技術來確定楊樹在有無真菌定殖以及響應鹽脅迫時的NO₃^-流速變化。NO₃^-的流速沿著根尖（100~2100 μm）在測試液中保持恒定（0.1 mM 低NO₃^-, 圖2a）。NO₃^-流速的大小和方向明顯受NaCl處理和真菌定殖的影響（圖1a）。無菌根（non-mycorrhizal, NM）楊樹的根尖表現出適度的NO₃^-吸收，而真菌定殖的根表現出7.4~11.8倍的吸收（圖1a）。很顯然，這種刺激不需要哈蒂氏網，因為與NM根相比，用MAJ或NAU定殖的根會使NO₃^-吸收增加（圖1a）。此外，在鹽脅迫下，真菌定殖的根保持了NO₃^-的凈吸收，而NM根在短期和長期鹽脅迫下顯示出NO₃^-的凈外排（圖1a）。無論是對照還是鹽處理，NAU和MAJ的純菌株均表現出NO₃^-內流（圖3）。

NO₃^-的吸收需要H⁺的協同運輸，因此取決于外部環境的pH值。隨后研究檢測了NM和真菌定殖的根表面的pH值。沿NM根的pH值是穩定的（圖2b），平均值為5.41（圖1b）。真菌定殖導致根表面酸性更高，pH值范圍為5.05~5.12（圖1b, 圖2b）。長期的鹽脅迫導致NM植物的pH值明顯上升至約pH值5.8（P<0.001）。在真菌定殖的植物中，鹽處理也引起pH升高，導致根表面的pH值約為5.4，類似于NM對照根的pH值（圖1b, 圖2b）。鹽誘導植物根系pH值的增加是由于根表面H⁺外排速率下降（圖S5）。無論對照條件如何，或短期或長期鹽脅迫，NAU的表面pH值與MAJ定殖的根的表面pH值沒有差別（圖1b）。

圖1. NaCl對有無菌株定殖的銀灰楊根表面的NO₃^-流速和pH值的影響

圖2. NaCl對有無菌根接種的楊樹NO₃^-穩態流速和根表pH的影響

圖3. NaCl對MAJ和NAU菌株NO₃^-穩態流速影響

為了監測H⁺梯度對NO₃^-吸收的重要性，用原釩酸鹽（orthovanadate, 質膜H⁺-ATPase抑制劑）抑制H⁺-ATPase。抑制劑顯著提高了NM和真菌定殖根表面的pH值（圖4b，圖5b），表明H⁺泵被有效抑制。H⁺流速檢測結果證實，在對照和鹽脅迫下，原釩酸鹽抑制劑使凈H⁺外排轉向內流（圖6）。無論是否存在真菌定殖或鹽脅迫，都會導致NO₃^-釋放（圖4a, 圖5a）。

圖4. 在有無菌根定殖和有無NaCl的情況下，原釩酸鹽對銀灰楊根表面NO₃^-流速和pH的影響

圖5. 原釩酸鹽對NaCl脅迫下有無菌根接種的楊樹NO₃^-穩態流速和根表pH的影響

圖6. 原釩酸鹽對NaCl脅迫下有無菌根接種的楊樹H⁺穩態流速的影響

其他實驗結果

• 與NM楊樹相比，MAJ或NAU定殖的楊樹根和莖中¹⁵N的富集度更高。

• 真菌定殖和鹽脅迫改變了楊樹根系中低親和力和高親和力硝酸鹽轉運蛋白(NRTs)的轉錄水平。

• 長期鹽脅迫下，NR和NiR的活性呈下降趨勢。

• 盡管鹽誘導的PcHA4轉錄水平有所下降，但在鹽脅迫下，真菌定殖的PcHA4轉錄水平仍高于NM根系。

• 與NM相比，P. involutus定殖的根表現出更高的質膜超極化。

• MAJ定殖的根在距頂端500~900 μm處表現出更高的O₂吸收率。

結論

本研究證明了外生菌根真菌P. involutus定殖的楊樹根系對NO₃^-的凈吸收增強，并且幾種NRTs和HAs的表達增加。無哈蒂氏網的P. involutus菌株NAU引起NO₃^-凈流速增加，NRT和HA轉錄水平增加，類似于用MAJ定殖形成典型的外菌根結構的根。

研究認為真菌對增強NO₃^-運輸能力的有益影響被鹽脅迫所否定。不過，由于真菌定殖的根表面酸度高于NM根的表面酸度，因此Paxillus菌株MAJ和NAU維持了鹽脅迫下根NO₃^-的穩態。鹽脅迫誘導NM根系NO₃^-外排受到菌根激活的H⁺-ATPases的抑制，明顯地在質膜上形成了足以使NO₃^-保留的H⁺梯度。菌根真菌如何影響H⁺泵活性以及宿主PcNRT和PcHAs的轉錄調控，在未來需要繼續研究。總體而言，本研究的結果為菌根共生體在養分吸收和脅迫改善方面的功能提供了新的見解。

離子流實驗使用的測試液

0.1 mM KNO₃, 0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl₂, pH 5.3