叢枝菌根真菌AMF提高植物抗逆性的組學(xué)技術(shù)研究進(jìn)展

胡海玲，馬鈺雯，耿赫陽，陳曉璇，石聰聰，王英男，王競(jìng)紅，藺吉祥

（東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150040）

非生物脅迫是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降的主要限制因素之一。根據(jù)2007年世界糧農(nóng)組織的報(bào)告，全球只有約3.5%的土地沒有受到任何環(huán)境制約的影響[1]。干旱、極端溫度、重金屬和土壤鹽堿化等非生物脅迫都會(huì)限制植物的生長(zhǎng)和最終生產(chǎn)力，植物也會(huì)通過在生理生化、分子細(xì)胞水平發(fā)生適應(yīng)性變化來適應(yīng)不利的生存環(huán)境。在全球范圍內(nèi)，由各種非生物脅迫引起的農(nóng)業(yè)損失導(dǎo)致了作物生產(chǎn)力的大幅度下降[2]。因此，非生物脅迫已經(jīng)成為制約植物生長(zhǎng)發(fā)育、影響產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

為了適應(yīng)外界不斷變化的自然環(huán)境，植物在長(zhǎng)期自然選擇和進(jìn)化過程中形成了一套完整的抗逆體系。其中，植物與叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)的共生就是一種十分有效的策略。AMF是陸地生態(tài)系統(tǒng)中分布最為廣泛的一類真菌，可以和80%以上的陸生植物建立互利共生體，提高植物對(duì)養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和利用能力以及自身的耐逆性[3]。由于AMF屬于專性活體營(yíng)養(yǎng)的植物共生真菌，所以需要消耗植物光合產(chǎn)物來為其菌絲生長(zhǎng)和孢子發(fā)育提供能量，以完成其生活史[4]。此外，AMF發(fā)達(dá)的根外菌絲可以深入到植物根系無法到達(dá)的土壤顆?？p隙，并通過其擴(kuò)展的菌絲網(wǎng)絡(luò)來改善宿主植物對(duì)水分和礦物質(zhì)養(yǎng)分的吸收[5]，提高植物對(duì)非生物脅迫的抗性[6]。目前，關(guān)于AMF如何提高宿主植物適應(yīng)外界逆境的深入機(jī)制還不太明確。作為一種綠色、健康、經(jīng)濟(jì)、高效提高植物抗逆性的新策略，AMF在保護(hù)環(huán)境及發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)方面的潛力不可忽視[3]。

之前對(duì)植物-微生物互作領(lǐng)域的研究清晰地表明，微生物共生在很大程度上直接影響植物對(duì)逆境脅迫的反應(yīng)[7]。如AMF可以利用一系列生化和生理機(jī)制協(xié)同作用，為寄主植物提供更強(qiáng)的耐鹽性[1]、耐旱性[8]等。為了深入研究植物表型或功能發(fā)生變化的機(jī)理，需要從諸多的生物大分子中篩選出相關(guān)聯(lián)的或發(fā)揮重要作用的基因、蛋白質(zhì)和代謝物等，這些生理和分子水平的變化就涉及到組學(xué)(omics)技術(shù)的應(yīng)用。組學(xué)技術(shù)包括基因組學(xué)(genomics)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)(transcriptomics)、蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)、代謝組學(xué)(metabolomics)、表型組學(xué)(phenomics)、微生物組學(xué)(microbiomics)等。組學(xué)技術(shù)可以揭示生命活動(dòng)的規(guī)律，促進(jìn)對(duì)復(fù)雜生物體的整體認(rèn)識(shí)。得益于日趨發(fā)展的測(cè)序技術(shù)，以高通量、大規(guī)模、高靈敏度為特點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)方法和組學(xué)技術(shù)的聯(lián)合開始大量應(yīng)用于植物脅迫應(yīng)答的綜合分析[9]。由于AMF的專性生物營(yíng)養(yǎng)特性和復(fù)雜的遺傳學(xué)機(jī)制[10]，現(xiàn)有關(guān)于AMF提高植物抗逆性的研究多集中在生理生化方面，所涉及的分子基礎(chǔ)尚不清楚。為了剖析更深層次的相互作用機(jī)制，并將分子水平的變化與對(duì)脅迫的耐受反應(yīng)聯(lián)系起來，形成了基于多組學(xué)方法的生物學(xué)數(shù)據(jù)[11]。其中轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)是最常用的3種組學(xué)技術(shù)，它們有助于人們分別從轉(zhuǎn)錄水平、翻譯水平、代謝水平上了解AMF提高植物應(yīng)答非生物脅迫的機(jī)理?；诖耍疚慕榻B了這3種組學(xué)在AMF提高植物應(yīng)答非生物脅迫中的研究進(jìn)展。

1 轉(zhuǎn)錄組學(xué)在AMF提高植物抗逆性領(lǐng)域的應(yīng)用

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是一門在整體水平上研究細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的學(xué)科[12]。由于轉(zhuǎn)錄組的表達(dá)具有動(dòng)態(tài)性，因此可以用來比較某一組織在不同生理?xiàng)l件以及不同狀態(tài)下基因表達(dá)的差異。目前，轉(zhuǎn)錄組學(xué)被廣泛應(yīng)用于挖掘差異基因并分析、鑒定差異表達(dá)的基因及其功能。此外，分子生物學(xué)的快速發(fā)展推動(dòng)了轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，分子測(cè)序技術(shù)經(jīng)歷了第一代到第三代的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，其通量和準(zhǔn)確性也在不斷提高。

目前常用的測(cè)序技術(shù)包括短讀長(zhǎng)測(cè)序、長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序和直接測(cè)序。其中短讀長(zhǎng)測(cè)序適合做基因定量，研究差異基因表達(dá)；長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序適合研究轉(zhuǎn)錄本結(jié)構(gòu)信息，如異構(gòu)體、可變剪切、基因融合等；RNA直接測(cè)序可以研究轉(zhuǎn)錄本結(jié)構(gòu)信息和修飾信息，但是對(duì)RNA樣本要求更高[13]。這3種測(cè)序技術(shù)的方法及優(yōu)缺點(diǎn)決定了其在不同研究領(lǐng)域的應(yīng)用。因此需要在了解各轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇[14]。表1為3種主要測(cè)序技術(shù)的比較。

表1 3種測(cè)序技術(shù)的比較[13]Table 1 Comparison of three sequencing technologies

利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以比較在脅迫條件下接種AMF后植物不同組織或不同生理?xiàng)l件下基因水平的表達(dá)差異，從而研究生理功能相關(guān)的基因，最終揭示其機(jī)體和細(xì)胞應(yīng)答的分子機(jī)制。AMF侵染植物后可以形成根外菌絲，從而誘導(dǎo)根長(zhǎng)與根形態(tài)變化，進(jìn)而提高菌根植物的水勢(shì)[15]、水的利用效率(WUE)[16]以及植物體內(nèi)的相對(duì)含水量(RWC)，提高菌根植物的耐旱性。劉婷[17]對(duì)干旱條件下的楊樹進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，接種AMF的楊樹(Populus)葉片水孔蛋白PIP家族基因PIP1-1、PIP1-2、PIP1-3、PIP1-4、PIP1-5和PIP2-3表達(dá)量分別上調(diào)了1.10、0.39、2.43、1.69、9.68和1.99倍；PIP2-1和PIP2-2表達(dá)量分別下調(diào)了0.42和0.27倍，且干旱條件下菌根植物的水分狀況明顯好于非菌根植物，其相對(duì)含水量和水分利用效率分別比非菌根植物高出10.2%和19.3%。AMF提高水的利用效率的原因可能是光合調(diào)節(jié)或提高脯氨酸的積累，降低了根部的水勢(shì)，從而促進(jìn)植物對(duì)水的吸收，提高植物的抗旱性[8]。例如，有研究利用qRT-PCR分析蘋果(Malus×domestica)在干旱脅迫下接種與未接種AMF處理基因轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下，接種AMF后蘋果幼苗中脯氨酸合成關(guān)鍵酶基因(P5CS)的表達(dá)量增加了65.15%，水通道蛋白相關(guān)的脅迫響應(yīng)基因(PIP1-3和PIP1-4)的表達(dá)量分別增加了103.67%和93.13%[18]。這表明在干旱條件下，AMF能夠通過調(diào)控植物水孔蛋白基因表達(dá)來改善植物的水分狀況，從而提高植物的耐旱性。

鹽堿脅迫可以通過影響植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和凈同化率來抑制植物的生長(zhǎng)[19]，從而導(dǎo)致植物生物量下降。在鹽脅迫條件下，植物根際Na+濃度升高會(huì)抑制對(duì)Ca2+的吸收，從而導(dǎo)致植物體內(nèi)Ca2+/Na+值下降，最終導(dǎo)致植物導(dǎo)水性變差、細(xì)胞膨壓下降、干擾Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[5]。而在鹽脅迫下，菌根植物會(huì)通過提高Ca2+吸收，以保持體內(nèi)適合的Ca2+/Na+值。吳娜[20]通過對(duì)鹽脅迫下接種AMF的青楊(Populus cathayana)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)AMF可以通過調(diào)節(jié)青楊根部PcSOS1和PcSOS3基因的相對(duì)表達(dá)量進(jìn)而影響宿主植物根系細(xì)胞的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性和內(nèi)部離子流穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)青楊根系對(duì)K+和Ca2+的吸收，降低對(duì)Na+的運(yùn)輸，增加雌株和雄株根部K+/Na+(6.99%和11.43%)和Ca2+/Na+(25.08%和36.79%)，進(jìn)而提高了青楊的耐鹽性。也有研究對(duì)鹽脅迫下接種AMF的水稻(Oryza sativa)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下菌根共生體上調(diào)了OsSOS1、OsNHX3、OsHKT2;1和OsHKT1;5的表達(dá)，接種AMF的植株中Na+由根系向地上部分的分配低于未接種植株[21]。上述結(jié)果說明，AMF可通過增加鹽脅迫下宿主植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，并通過調(diào)控膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因的表達(dá)來減少Na+的吸收和向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)宿主植物的離子平衡，提高宿主植物的耐鹽性。鹽脅迫還會(huì)造成植物生理干旱，影響植物吸水。植物吸收水分依賴于水孔蛋白(PIP)，而AMF能調(diào)控植物水孔蛋白基因的表達(dá)[22]。Aroca等[23]發(fā)現(xiàn) AMF可以上調(diào)植物根部的PIP1;1，PIP1;3和PIP2;1的表達(dá)量。但是Ouziad等[24]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下，接種AMF的番茄中PIP1的表達(dá)量被下調(diào)。此外，張新璐[25]分析了AMF提高刺槐(Robinia pseudoacacia)耐鹽脅迫的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)ERF/AP2、WRKY、bHLH和MYB等轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)控刺槐根系對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性：與鹽脅迫下未接種AMF的刺槐根系相比，接種AMF后有2970個(gè)差異基因上調(diào)表達(dá)，371個(gè)基因下調(diào)表達(dá)，這些差異基因主要參與了生物調(diào)節(jié)、刺激應(yīng)答、轉(zhuǎn)運(yùn)等過程和氧化磷酸化、蛋白質(zhì)加工等信號(hào)通路。

環(huán)境污染造成很多地區(qū)土壤中的重金屬離子濃度超標(biāo)，而重金屬離子在土壤中過度積累會(huì)破壞土壤性質(zhì)和微生物多樣性，導(dǎo)致植物毒性、細(xì)胞損傷和生物量下降等[26]，是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境因素之一。接種AMF能夠調(diào)控植物根系中與吸收有害元素相關(guān)的離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的合成，并通過降低重金屬的生物富集因子和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，從而抑制有害元素自土壤/根系向植物地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，降低了植物地上部與土壤/根系有害元素含量的比值，最終緩解植物對(duì)重金屬脅迫的應(yīng)激反應(yīng)，提高植物的耐受性[27]。孫晨瑜[28]利用RNA-Seq 分析發(fā)現(xiàn)，在硒脅迫下，AMF共生顯著下調(diào)了玉米根系吸收硒相關(guān)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因ZmPht2、ZmNIP2;1和ZmSultr1;3的表達(dá)，并且玉米地上部硒含量降低了20.80%～52.80%，根部硒含量降低了12.3%～36.8%。另外，有研究發(fā)現(xiàn)在砷脅迫下，與未接種AMF的對(duì)照組相比，接種AMF的蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)下調(diào)了其根系皮層細(xì)胞膜中MtPht1;1和MtPht1;2基因的表達(dá)，并降低了地上部和根部的砷濃度[29]。這些研究表明了AMF與植物形成共生后能夠降低植物體內(nèi)的重金屬含量，從而提高植物的耐受性。

以上研究表明，轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析可以揭示在不同外界環(huán)境因子下AMF對(duì)植物關(guān)鍵基因表達(dá)的影響。從轉(zhuǎn)錄水平揭示逆境脅迫下整個(gè)基因組水平的表達(dá)情況，對(duì)增加脅迫適應(yīng)和耐受相關(guān)的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)的理解、進(jìn)行逆境基因組轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有重大的意義[30]。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)在AMF提高植物抗逆性領(lǐng)域的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組學(xué)是以蛋白質(zhì)組為研究對(duì)象，將基因組序列信息和在特定組織、細(xì)胞或細(xì)胞器中執(zhí)行生命功能的蛋白質(zhì)有機(jī)地聯(lián)系起來，全面檢測(cè)表達(dá)的蛋白質(zhì)及在不同發(fā)育階段、不同條件下表達(dá)的差異[31]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)主要有技術(shù)體系和生物信息體系兩方面的內(nèi)容[32]。技術(shù)體系中目前最常見的技術(shù)有MALDI TOF/TOF技術(shù)與 LC-MS/MS 技術(shù)、iTRAQ/TMT、SILAC、Label free、2D/DIGE[33]。其中iTRAQ/TMT (同位素相對(duì)定量和絕對(duì)定量)是一種強(qiáng)大的質(zhì)譜技術(shù)，可以定量比較蛋白質(zhì)豐度，因此應(yīng)用比較廣泛。iTRAQ/TMT具體的工作流程如圖1所示。

圖1 iTRAQ/TMT工作流程圖Fig.1 iTRAQ /TMT workflow chart

在應(yīng)對(duì)非生物脅迫方面，蛋白質(zhì)的合成和積累是植物的中心策略，蛋白質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量的變化比mRNA轉(zhuǎn)錄水平的變化更直接地反映了調(diào)控機(jī)制[34]。利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對(duì)接種AMF后植物面臨脅迫時(shí)其體內(nèi)的蛋白表達(dá)和差異變化進(jìn)行定性和定量研究，從而獲得AMF對(duì)植物應(yīng)答逆境時(shí)抗逆蛋白變化的影響，有利于解析AMF提高植物抗逆的生理生化和分子信號(hào)應(yīng)答機(jī)制。例如，Gui等[35]采用ITRAQ蛋白質(zhì)組學(xué)方法發(fā)現(xiàn)，與未接種AMF的藍(lán)莓(Vaccinium corymbosum)相比，接種AMF的植株在干旱脅迫下保持了更高豐度的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)參與了氨基酸代謝、抗氧化系統(tǒng)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和光合作用(包括光合作用生物體內(nèi)的固碳、卟啉和葉綠素代謝以及類胡蘿卜素的生物合成)。吳潔婷[36]利用iTRAQ及液相串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，銅脅迫下接種AMF的蘆葦(Phragmites australis)根系產(chǎn)生了459個(gè)差異蛋白，其中表達(dá)上調(diào) 200個(gè)，表達(dá)下調(diào) 259個(gè)，這些蛋白主要涉及呼吸鏈能量傳遞、營(yíng)養(yǎng)元素主動(dòng)運(yùn)輸及異常蛋白的修復(fù)及降解。此外，Wang 等[37]利用iTRAQ技術(shù)發(fā)現(xiàn)，與堿性脅迫下未接種AMF 的星星草(Puccinellia tenuiflora)相比，接種AMF后的星星草幼苗中共有598種蛋白質(zhì)受到顯著差異調(diào)節(jié)。以上研究結(jié)果表明，AMF接種可以顯著提高蛋白質(zhì)合成、活性氧清除和氮代謝，促進(jìn)堿性脅迫下滲透物質(zhì)的生物合成。

鹽脅迫下，接種AMF的植物蛋白積累和代謝也有相關(guān)報(bào)道。常偉[3]應(yīng)用非標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組學(xué)(Label-free)技術(shù)對(duì)不同鹽處理下的沙棗(Elaeagnus angustifolia)苗木根系進(jìn)行蛋白質(zhì)組測(cè)定，共發(fā)現(xiàn)241個(gè)菌根耐鹽脅迫差異豐度共生蛋白，主要參與到細(xì)胞膜、脂代謝過程、單組織代謝過程、轉(zhuǎn)移酶活性、催化活性等生物學(xué)功能，其中35個(gè)菌根耐鹽脅迫差異豐度共生蛋白廣泛參與了代謝、遺傳信息處理、環(huán)境信息處理、細(xì)胞進(jìn)程等6個(gè)代謝通路。陳計(jì)芳[38]利用雙向電泳(2D-PAGE)、質(zhì)譜(MS)以及生物信息學(xué)分析，比較了同一鹽濃度脅迫下接種AMF和不接種AMF的小麥(Triticum aestivum)葉片蛋白質(zhì)組的差異，共成功鑒定了12個(gè)蛋白點(diǎn)，這些蛋白的功能涉及到光合作用(占比62%)、糖代謝(占比12%)、能量代謝(占24%)及未知功能蛋白等方面；并發(fā)現(xiàn)未接種AMF的植物相關(guān)蛋白點(diǎn)呈下調(diào)表達(dá)趨勢(shì)，而接種AMF的小麥中相關(guān)蛋白呈上調(diào)表達(dá)趨勢(shì)，這說明接種AMF能夠恢復(fù)這些蛋白的表達(dá)，并通過增強(qiáng)呼吸能量代謝或光合作用相關(guān)的酶蛋白來抵御和修復(fù)鹽脅迫對(duì)其產(chǎn)生的傷害。

以上研究說明在蛋白質(zhì)水平上研究逆境脅迫下植物基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，有助于詳細(xì)了解脅迫因子的傷害機(jī)制以及植物的適應(yīng)機(jī)制，深入地揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)，從而可以更為直接地找到與逆境相關(guān)的基因群，進(jìn)而解釋遺傳和環(huán)境是如何通過相互作用控制細(xì)胞的功能，為進(jìn)一步揭示植物響應(yīng)脅迫機(jī)理提供新的認(rèn)識(shí)[39]。

3 代謝組學(xué)在AMF提高植物抗逆性領(lǐng)域的應(yīng)用

代謝組學(xué)(metabolomics)是一門旨在對(duì)生物體、組織或細(xì)胞特定時(shí)期下的全部小分子代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析的新學(xué)科[40]。由于代謝組學(xué)的研究結(jié)果更接近生物的表型，所以代謝組學(xué)技術(shù)可以作為一種橋梁將基因型和表型聯(lián)系在一起，形成“突變-基因-調(diào)控-表達(dá)-代謝-表型”的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)[41]。目前，代謝產(chǎn)物的分離鑒定技術(shù)主要有液相色譜(LC)、氣相色譜(GC)、質(zhì)譜聯(lián)用、毛細(xì)管電泳(CE)、核磁共振(NMR)、毛細(xì)管電譜質(zhì)譜聯(lián)用等。由于每種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)和不足，因此，在實(shí)際應(yīng)用中往往將幾種技術(shù)聯(lián)合使用。常見的方法有核磁共振、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用，其使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 常用的代謝組學(xué)技術(shù)的比較Table 2 Comparison of commonly used metabolomics techniques

植物代謝組學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人們對(duì)代謝產(chǎn)物所在通路的認(rèn)識(shí)，從而更好地理解代謝產(chǎn)物所在代謝途徑中的底物、中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物和關(guān)鍵酶的變化，并闡明該途徑中的調(diào)節(jié)機(jī)制[46]。已有大量研究表明，在脅迫條件下接種AMF可以通過改變宿主植物的相關(guān)次級(jí)代謝產(chǎn)物水平，從而增強(qiáng)植物抵御外界脅迫的能力。例如，有研究發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫下，對(duì)黃瓜(Cucumis sativus)接種AMF可以提高木質(zhì)素、酚類、黃酮類等參與植物抗氧化系統(tǒng)、次級(jí)代謝酶活力等過程的中間代謝產(chǎn)物水平，從而提高黃瓜對(duì)冷害的耐受力[47]。這說明接種AMF可以通過影響脅迫下植物初級(jí)和次級(jí)代謝產(chǎn)物的水平以及根系非酶抗氧化劑的水平，從而提高植物對(duì)非生物脅迫的抗性。此外，Begum[48]還發(fā)現(xiàn)，接種AMF可顯著提高煙草(Nicotiana tabacumL.)體內(nèi)的酚類和黃酮含量及植株精油的含量和組成成分，皮脂原酶(LOX)和苯丙氨酸氨解酶(PAL)含量分別增加90%和125%，從而顯著減輕干旱脅迫產(chǎn)生的氧化傷害。這說明接種 AMF 改善了煙草植株的次生代謝，從而增強(qiáng)了植物在防御干旱脅迫中的作用。而Dai等[49]利用代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下丹參的代謝產(chǎn)物發(fā)生了變化，干旱脅迫下調(diào)了脯氨酸和丹參酮的含量，同時(shí)也改變了氨基酸、糖類以及多元醇類的代謝產(chǎn)物積累量，并且還發(fā)現(xiàn)因光照引起的干旱會(huì)促進(jìn)莽草酸參與的多酚類的合成，而因空氣干燥引起的干旱會(huì)抑制該代謝通路。

AMF還可以通過影響植物體內(nèi)氨基酸與可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量與組成，來幫助宿主進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，從而抵御非生物脅迫。張良[50]通過LCMS分析鹽脅迫下星星草在接種AMF后最相關(guān)代謝產(chǎn)物的種類以及變化，發(fā)現(xiàn)該菌種能夠明顯提升星星草體內(nèi)氨基酸和胺、碳水化合物和多元醇以及無機(jī)酸和有機(jī)酸這3大類代謝產(chǎn)物的含量，其中變化最明顯的相關(guān)代謝產(chǎn)物包括氫嗎啡酮上調(diào)21.38倍、乙基嗎啡上調(diào)20.02倍、槲皮素31-甲基醚上調(diào)16.67倍和芹菜素7-0－新橙皮苷下調(diào)12.5倍，這些明顯變化的代謝產(chǎn)物參與TCA的循環(huán)、氮元素代謝時(shí)所需ATP的合成以及細(xì)胞滲透平衡的維持，增強(qiáng)堿脅迫下星星草的耐堿能力。此外，還有研究使用液相色譜結(jié)合飛行時(shí)間質(zhì)譜(LC/TOF-MS)對(duì)堿脅迫下接種或未接種AMF的星星草幼苗中的代謝物譜進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)AMF接種顯著提高了堿脅迫下氨基酸、有機(jī)酸、類黃酮和甾醇的含量，改善了滲透調(diào)節(jié)，維持了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性[51]。

以上研究結(jié)果表明，可以利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)接種AMF的植物應(yīng)答逆境脅迫時(shí)的代謝物變化進(jìn)行定性和定量分析，從而揭示AMF提高植物抗逆性的分子機(jī)制。

4 總結(jié)與展望

轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的研究對(duì)象分別是mRNA、蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物，它們之間既有區(qū)別，又相互聯(lián)系，是一個(gè)有機(jī)的整體。目前，對(duì)于叢枝菌根真菌誘導(dǎo)植物抗性的具體機(jī)制，還尚不明確。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)等測(cè)序技術(shù)，獲得了接種和不接種AMF植株之間差異表達(dá)的基因、蛋白質(zhì)以及代謝物。深入研究組學(xué)分析中所揭示的基因、蛋白質(zhì)、代謝物質(zhì)在植物不同組織中的功能，挖掘和鑒定植物在逆境條件下執(zhí)行重要生理功能的重要調(diào)控途徑及特異功能蛋白、關(guān)鍵基因以及代謝物等，可加深對(duì)AMF 提高植物抗逆性機(jī)制的了解。

采樣時(shí)間、部位以及個(gè)體差異都會(huì)干擾轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組測(cè)序后所獲得的信息和表達(dá)，環(huán)境、生理狀態(tài)以及操作方式等外界因素也會(huì)影響植物的生理代謝水平。因此，選擇能準(zhǔn)確表征某一狀態(tài)的樣本，保證研究體系的均一性，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)植物生長(zhǎng)的前提。這些方法包括選擇均一的種子，標(biāo)準(zhǔn)化的AMF接種流程，脅迫環(huán)境(因子)的嚴(yán)格控制等。

在自然環(huán)境中生長(zhǎng)的植物通常處在復(fù)合逆境中，多種脅迫可能存在交叉互作，且植物與逆境脅迫的互作是一個(gè)復(fù)雜的過程。因此，單一組學(xué)的應(yīng)用限制了信息表達(dá)的完整性和深層次網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)理的精確性。隨著測(cè)序技術(shù)和手段在速度、精度等方面的提高以及生物信息學(xué)的更新發(fā)展，單一組學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)不能滿足人們的需求，為了打破單一組學(xué)研究的瓶頸，AMF提高植物抗逆性組學(xué)的研究將朝著多組學(xué)結(jié)合的方向發(fā)展。將轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等各相關(guān)學(xué)科聯(lián)合起來，不斷深化各組學(xué)技術(shù)間的融合，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的互補(bǔ)，使研究者能更加全面、整體地從不同層面研究植物所出現(xiàn)的基因轉(zhuǎn)錄、表達(dá)、翻譯、修飾以及生理代謝等問題，從多角度全面探究植物相關(guān)研究的分子機(jī)理，這有助于更全面地理解植物相關(guān)生命活動(dòng)的分子調(diào)控規(guī)律。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及植物學(xué)研究的不斷深入，組學(xué)技術(shù)將會(huì)在AMF提高植物應(yīng)答脅迫研究領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。