文献解读 | 植物代谢：牧草百脉根与共生真菌的代谢研究

一、背景介绍

百脉根是一种蔷薇目豆科植物，既可作为优质牧草又可用来改良土壤，在植物与微生物共生关系的研究中也是一种模式作物，在研究营养吸收和抗逆性方面具有重要科研价值，比如已有研究发现百脉根与丛枝菌根真菌共生可以增强作物在干旱、高盐等不利环境下的生存能力，两者共生可以改善土壤肥力，促进植物群落稳定。丛枝菌根真菌是一种广泛存在于植物根系的真菌，它的菌丝可以穿透植物根部细胞，形成高度分枝的树状结构，从而形成促进植物与真菌之间物质交换的共生体。在本研究中结合了代谢组学技术，揭示共生对根系代谢调控的机制，通过挖掘新型代谢物，可以为深入理解共生机制和功能提供理论基础，对于理解共生对植物生长、养分吸收和抗逆性具有重要意义。

 

二、材料方法

研究主要包含了丛枝菌根真菌处理组和未处理组，两组样本都涵盖了百脉根野生型及8个突变体型（ccamk、cyclops、ram1、ram2等），对于处理组，将百草根接种丛枝菌根真菌，分别在接种第7周和第10周收获样本，液氮速冻后于-80℃保存，代谢物提取使用乙腈加入样本进行组织匀浆，离心后收集上清液用于后续分析。代谢组学分析使用了UPLC-ESI‐IM-TOF-MS平台进行代谢物的分离、检测和鉴定，结合多种已知代谢物标准品进行共色谱分析，对于代谢物结构的鉴定和解析使用核磁共振技术；对于两组样本也开展了转录组学分析，对比真菌处理与否的根系样本，以分析基因表达变化；对于所鉴定出的代谢物，开展孢子活性实验以评估对于真菌孢子萌发的影响。对于代谢组学数据处理使用Progenesis QI软件，基于方差分析P值和倍数变化筛选代谢物，PCA分析和OPLS-DA分析用于可视化差异和趋势；转录数据分析使用STAR比对到百脉根基因组，FEATURECOUNTS统计基因比对段数，DESEQ2进行基因表达差异分析；代谢物鉴定使用Progenesis SDF Studio创建包含已知代谢物信息的数据库，通过精确质量数匹配代谢物，将标准品与样本共色谱分析，验证代谢物的鉴定结果；其中统计分析包含了ANOVA、相关性分析及多重比较校正等方法。

 

三、结果讨论

研究发现百脉根接种真菌第7周和第10周的代谢物特征发生了变化，在7周时筛选后发现1782个特征，在10周时筛选后剩余3649个特征；一些特定离子化合物表现为下调，比如m/z 563.0981、581.1084和609.1395，而m/z 455.3529、351.0870、343.0821、327.0872和311.0558则呈现出正相关；基于代谢数据发现了新的多酚化合物lupinalbin A、ayamenin D 以及5,7-二羟基-4'-甲氧基香豆素铬酮，并通过NMR光谱确定其结构；差异分析表明7周和10周两个时间点之间根部代谢谱发生了变化，尽管菌根化程度没有显著差异；基于研究，利用Progenesis SDF Studio创建了一个包含319种化合物的内部数据库，并使用准品进行共色谱分析，验证了多种化合物如lupinalbin B、acacetin、biochanin A等的存在；总体而言，研究揭示了百脉根与土壤真菌共生期间的代谢变化，发现了新的多酚化合物，为理解植物-真菌共生关系提供了新的见解。

 

四、研究结论

研究通过综合运用代谢组学和转录组学技术，全面揭示了真菌共生对莲子草根系次生代谢组的影响，并鉴定出多种新的代谢物。这些发现不仅为理解真菌共生的分子机制提供了新的视角，还为未来的研究和农业应用提供了重要的基础。组学技术在本研究中的应用展示了其在植物与微生物互作研究中的强大潜力，为植物科学的发展提供了新的工具和方法。

 

五、结果展开

图1. 显示了质谱全扫描分析所检测到的化合物特征热图，比较了接种丛枝菌根真菌和未接种对照的百脉根（WT）及八个突变体（ccamk-3、ccamk-13、cyclops-3、cyclops-4、ram1-3、ram1-4、ram2-1和ram2-2）在接种后7周（a）和10周（b）所收获根系样本中的代谢物丰度变化情况。 

 

 

图2. 显示百脉根野生型接受丛枝菌根真菌感染与对照组相比较的S图，S图基于正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），横轴为代谢物特征在OPLS-DA模型中的权重，纵轴表示代谢物特征的可靠性，蓝色表示已鉴定的化合物，橙色为推测的化合物，此处S图比较了在接种后7周（a）和10周（b）收获的根系样本中化合物情况。

 

 

图3.显示几种新化合物的结构，包括推测的羟基-二甲氧基蝶啶-6a-烯、5,7-二羟基-4'-甲氧基香豆素铬酮、4-羟基-2-(2'-羟基-4'-甲氧基苯基)-6-甲氧基苯并呋喃-3-甲醛（lotusaldehyde，15、熊果酸等，这些化合物首次在百脉根中被报道，丰富了对百脉根及共生真菌相互作用的理解。

 

图4. 热图显示（a）百脉根转录组数据显示的19个基因(b) 17种代谢物（9种已知，8种推测）在四对实验组和对照组中的分布情况，聚类分析显示两组之间存在明显的区别；（c）显示代谢物与基因变化之间的关联聚类分析，蓝色表示基因的倍数变化更高，红色表示代谢物的倍数变化更高。

 

图5. 显示选定的多酚类化合物对真菌孢子萌发的抑制实验，实验设置了纯培养基组和DMSO组作为对照，蓝色星号标记具有显著差异结果的化合物组，数据显示Lupinalbin A等多种化合物在10 μM浓度下显著抑制了孢子萌发。

 

参考文献：

Ranner JL, Stabl G, Piller A, Paries M, Sharma S, Zeng T, Spaccasassi A, Stark TD, Gutjahr C, Dawid C. Untargeted metabolomics reveals novel metabolites in Lotus japonicus roots during arbuscular mycorrhiza symbiosis. New Phytol. 2025 May;246(3):1256-1275.