《Plant, Cell & Environment》：Arbuscular Mycorrhiza Modulates Iron Distribution and Vacuolar Iron Transporter Expression in Tomato, Whereas Iron Limitation Reduces Mycorrhization
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叢枝菌根（AM）真菌與番茄共生顯著影響鐵（Fe）穩態。研究發現，在鐵限制條件下，AM真菌可上調番茄根系中鐵吸收相關基因（如SlFRO1、SlIRT1）的表達，增強鐵的獲取，并部分緩解缺鐵引起的營養失衡。同時，鐵在含有叢枝的皮層細胞中積累，表明AM真菌和宿主細胞可作為鐵庫。然而，鐵的有效性對AM真菌的定殖和功能維持至關重要，缺鐵條件會下調多個AM標志基因（如SlEXO84、SlRAM1、SlAMT2.2、SlPT4）的表達。該研究揭示了鐵可用性與AM共生之間復雜的雙向互作機制。
引言：鐵與菌根共生的緊密聯系
鐵是植物生長發育必需的微量營養素，然而在堿性土壤中常以生物可利用性較低的三價鐵形式存在，易導致植物缺鐵。植物進化出高效的策略I（非禾本科植物）和策略II（禾本科植物）鐵吸收機制。除了這些內在途徑，植物還可通過與土壤有益微生物共生來應對缺鐵，其中叢枝菌根（AM）真菌是參與植物礦質營養的最主要共生菌群之一。盡管AM真菌在磷、鋅、銅營養中的角色已被確認，但其在鐵營養中的作用多變且常不一致，分子機制尚不清楚。本研究選用對缺鐵敏感的策略I模式植物番茄，系統探究了AM真菌與鐵有效性之間的雙向影響。
材料與方法
研究采用番茄品種'Moneymaker'，接種AM真菌Rhizophagus irregularis，在含鐵（對照）或缺鐵的營養液中進行培養。通過測定生物量、組織鐵濃度、鐵轉運因子，以及利用Perls染色進行根橫切面鐵定位分析，評估生理響應。通過實時熒光定量PCR（qRT-PCR）分析番茄AM相關基因（SlEXO84、SlRAM1、SlAMT2.2、SlPT4）和鐵穩態相關基因（SlFRO1、SlIRT1、SlNRAMP1、SlNRAMP3、SlCHLN）的表達。此外，鑒定了番茄基因組中四個液泡鐵轉運蛋白（VIT/VTL）家族基因（SlVIT1、SlVIT2、SlVTL1、SlVTL2），并通過酵母互補實驗驗證其轉運功能。通過電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）分析離子組，探討AM和鐵有效性對整體營養狀況的影響。
結果1：鐵缺乏與菌根定殖均減少根到莖的鐵轉運
與缺鐵的非菌根化植物相比，缺鐵并未顯著影響菌根化植物的根系鮮重。無論鐵處理如何，菌根化均降低了地上部的鐵濃度，但顯著增加了根系的鐵濃度，從而導致鐵轉運因子（地上部/根部鐵濃度比）在缺鐵和菌根化條件下均降低。這表明AM真菌改變了鐵在植物體內的分布，使其更多地保留在根系。
結果2：皮層叢枝定殖細胞是菌根根系中的鐵積累位點
為探究根系高Fe濃度的原因，研究者對根橫切面進行了Perls染色。結果顯示，在含有叢枝的菌根根系皮層細胞中，出現了藍色的Perls沉淀，表明鐵在真菌結構中積累，這至少部分解釋了菌根植物中鐵轉運減少的現象。非菌根化根或陰性對照中未檢測到信號。
結果3：鐵缺乏下調菌根相關基因表達
為研究缺鐵對AM的影響，分析了多個AM標志基因的表達。在缺鐵條件下，所有分析的番茄AM相關基因（SlEXO84、SlRAM1、SlAMT2.2、SlPT4）以及真菌組成型表達基因RiEF1α的表達均被顯著下調，表明鐵的有效性對維持AM定殖和共生功能至關重要。
結果4：鐵缺乏響應基因的表達模式
在缺鐵條件下，策略I鐵吸收系統的首個組分SlFRO1在菌根根系中被強烈誘導表達。鐵滲透酶SlIRT1在缺鐵菌根根系中上調，但在鐵充足條件下，菌根根系中的SlIRT1表達水平低于非菌根根系。這表明AM僅在鐵限制條件下增強了策略I鐵獲取途徑。鐵轉運蛋白基因SlNRAMP1在鐵充足條件下于菌根根系中表達增加，而SlNRAMP3在缺鐵或菌根化條件下表達下調。參與煙酰胺合成的SlCHLN在缺鐵和菌根化條件下表達下調，這可能與根到莖的鐵轉運減少有關。
結果5：鐵缺乏與AM下調液泡鐵轉運蛋白SlVIT/VTL家族基因
研究者在番茄基因組中鑒定了四個液泡鐵轉運蛋白（VIT/VTL）家族候選基因。在缺鐵條件下，非菌根根系中SlVIT1、SlVIT2、SlVTL1和SlVTL2的轉錄水平均降低。在鐵充足條件下，菌根化顯著降低了SlVIT1和SlVTL1的表達。酵母互補實驗表明，SlVIT1、SlVTL1和SlVTL2是功能性的Fe/Mn雙效轉運蛋白，而SlVIT2似乎主要作為Mn轉運蛋白。AM對Fe的高需求得到了菌根根系中SlVIT1和SlVTL1表達減少的支持。
結果6：鐵缺乏與菌根化重塑番茄離子組
離子組分析顯示，AM定殖和鐵缺乏均顯著影響了地上部和根系的營養譜。在缺鐵條件下，非菌根化植物的地上部離子組發生顯著改變，但菌根化植物中的這些變化較為緩和。AM共生部分緩解了缺鐵誘導的地上部營養失衡，例如鈣、硫、鉀和鋅的水平在缺鐵菌根植物中未受影響。在根系中，AM定殖一致性地增加了銅和鐵的含量，無論鐵的有效性如何。這表明AM在鐵脅迫下有助于改善礦質穩態。
討論1：植物生長響應與AM的貢獻
從生理角度看，缺鐵條件下非菌根植物根系生物量的增加可能是一種增強土壤探索的適應性策略。菌根植物未表現此響應，可能歸因于根外菌絲提供的擴展吸收表面積。研究中應用的缺鐵處理可能代表中度缺乏，這解釋了為什么在非菌根植物中地上部生物量未觀察到顯著差異。
討論2：叢枝定殖細胞作為鐵庫：對鐵滯留的啟示
研究首次報告了鐵在叢枝定殖的皮層細胞中積累。一種可能的解釋是真菌充當了鐵庫，這一假設得到先前研究的支持，該研究表明R. irregularis鐵吸收轉運蛋白RiFTR1在菌根根系，尤其是在含叢枝的細胞中高表達。同時，定殖的皮層細胞可能保留鐵以支持與真菌定殖相關的深刻結構和代謝重編程。觀察到的植物液泡鐵轉運蛋白基因SlVIT1和SlVTL1的表達減少，可能與減少鐵向液泡的隔離一致，從而增加叢枝定殖細胞中胞質鐵的可用性。
討論3：鐵有效性調節AM共生
與鐵在共生相互作用中的重要性一致，番茄AM相關基因的下調以及RiEF1α在缺鐵菌根根系中較低的表達，表明鐵的有效性對番茄的AM定殖和功能至關重要。考慮到鐵對植物和真菌代謝都必不可少，缺鐵下菌根定殖的抑制可能反映了該微量營養素在AM建立和功能中的關鍵作用。
討論4：AM共生以鐵依賴性方式調節鐵吸收途徑
關于AM對番茄鐵響應基因表達的影響，數據揭示了對鐵吸收、分布和儲存關鍵基因的鐵依賴性差異調節。在鐵限制條件下，SlFRO1和SlIRT1在菌根根系中被上調，支持了菌根植物根際鐵生物可利用性增加的觀點。相反，在鐵充足條件下，SlFRO1無法檢測到，SlIRT1在菌根根系中被下調。這些發現表明，AM僅當鐵限制時才增強策略I鐵獲取途徑，突顯了AM介導的鐵穩態調節的情境依賴性。
討論5：SlVIT/VTL轉運蛋白的功能作用及其受AM調節
對鐵的高需求得到了菌根根系中液泡鐵轉運蛋白SlVIT1和SlVTL1表達減少的支持。功能分析顯示，SlVIT1、SlVTL1和SlVTL2能夠轉運鐵和錳，而SlVIT2似乎是錳轉運蛋白。與它們在通過將鐵隔離到液泡中來維持鐵穩態的作用一致，SlVIT1、SlVTL1和SlVTL2的表達在缺鐵條件下被下調。有趣的是，SlVIT2在菌根根系中表達上調，同時錳含量增加，表明該微量營養素在AM中具有積極作用。
討論6：AM共生緩沖缺鐵下的營養失衡
關于離子組數據，結果表明AM定殖部分緩解了缺鐵條件下番茄地上部離子組的變化。缺鐵已知對養分吸收、分布和代謝穩態產生直接和間接影響，導致植物離子組的實質性變化。研究發現，在AM定殖植物中，鈣、硫、鉀和鋅水平未受缺鐵影響，突顯了AM共生在緩沖營養失衡和在鐵脅迫下維持更穩定離子組譜方面的作用。數據還顯示，AM共生對營養譜的影響高度依賴于鐵的有效性，在鐵充足條件下影響顯著，但在缺鐵期間影響有限。
結論
本研究的數據表明，鐵的有效性是決定番茄AM共生的關鍵因素。AM定殖調節了參與鐵吸收、轉運和儲存的相關基因的表達，同時鐵在含叢枝的細胞中積累，表明真菌和定殖的宿主細胞都可能充當鐵庫。此外，AM根系中錳水平的增加和SlVIT2的誘導，指向微量營養素穩態在共生中更廣泛的作用。總之，這些發現揭示了營養途徑復雜且依賴于情境的調節，平衡了植物和真菌的需求，并強調了進一步探索AM相互作用中鐵轉移和微量營養素動態機制的重要性。
