丛枝菌根(AM)真菌与宿主植物的根系共生,在根内形成丛枝和泡囊结构,在根外形成庞大的菌丝网络,促进植物对水分、养分的吸收并提高植物抵抗干旱胁迫的能力。现有研究多集中在AM真菌调控宿主植物抗旱的生理过程和机制方面,然而很少有研究从植物-AM真菌共生体系的角度分析真菌菌丝自身响应干旱胁迫的生理变化及其与宿主植物之间的逆境信号交流和调控机制。本研究通过盆栽试验和双重无菌培养试验,探索干旱条件下AM真菌对植物水分生理过程和逆境信号通路的调控,以及AM真菌自身对干旱胁迫的响应机理,深入研究AM共生体系协同抗旱的分子机制。　　(1)AM真菌调节14-3-3基因参与的ABA信号通路增强番茄的抗旱性　　本试验的目的是探讨AM共生对ABA信号通路中关键基因14-3-3蛋白基因的调控及其对植物抗旱性的影响。试验以番茄(Solanum lycopersicum)野生型（wt）及其ABA缺陷型突变株notabilis（not）为材料,在模拟干旱胁迫下考察接种AM真菌Rhizophagus intraradices AH01对植物水分生理的影响。试验结果表明,接种AM真菌能显著提高wt地上部的磷浓度,提高了两种基因型番茄的根系P浓度。在干旱胁迫下,wt根系中14-3-3蛋白基因TFT2和TFT3的表达显著上调。AM降低wt的蒸腾速率(Tr),引起水分利用效率(WUE)提高并增强了wt的抗旱性。对于突变体番茄not,在干旱胁迫下接种AM真菌明显上调了TFT5、TFT7、TFT9和TFT10的表达,进而改变了Tr对干旱的响应,避免了植物WUE的降低。本研究表明干旱条件下AM共生可以通过调控番茄14-3-3蛋白基因的表达,调节气孔行为来维持植物WUE,增强植物抗旱能力。　　(2)AM真菌Rhizophagus irregularis中14-3-3蛋白基因的克隆及功能验证　　为证明AM真菌在增强植物抗旱性方面的直接作用,本研究克隆了AM真菌Rhizophagus irregularis DAOM197198中的2个14-3-3蛋白基因:Ri14-3-3和RiBMH2。通过设计特异性引物,在AM真菌中扩增到了两个基因的全长片段。通过在酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae BY4742177w中的异源表达试验,验证了Ri14-3-3和RiBMH2的功能。在正常条件和干旱胁迫下,Ri14-3-3均提高了酵母的生长速率和最大生长量,而RiBMH2降低酵母生长速率和生长量。正常水分条件下,Ri14-3-3上调MAC1基因,下调AQY3基因的表达。RiBMH2上调PMA1基因,下调AQY3基因的表达。干旱胁迫下,Ri14-3-3上调PMA1,AQY1,CMP的表达,RiBMH2上调PMA1,PMA2,AQY1,AQY2和CMP基因的表达。R.irregularis的14-3-3蛋白基因能够上调酵母质膜H+-ATPase基因和水孔蛋白基因,说明AM真菌14-3-3蛋白基因可以调控干旱胁迫响应基因,促进真菌向植物运输水分,从而增强植物抗旱性。　　(3)AM真菌根外菌丝跨膜离子流对干旱胁迫的响应　　本研究利用胡萝卜毛根-AM真菌双重无菌培养体系获得AM真菌的纯净菌丝,运用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM-EDS)观测了在聚乙二醇(PEG)模拟的干旱胁迫和外源施加ABA条件下根外菌丝形态的变化,同时首次采用非损伤微测(NMT)技术在AM真菌菌丝不离体的情况下研究了干旱对AM真菌活体菌丝离子流的影响。结果表明,PEG处理1h引起菌丝尖端和侧面发生了褶皱和损伤,PEG处理24h后菌丝表面出现了明显萎缩和破损,菌丝尖端弯曲折叠。PEG和ABA处理下菌丝感受到水势的变化,激活细胞膜上的质子泵,促进质膜的H+外流,引起Ca2+内流和促进K+内流,最终降低了环境的pH值,促进P、Ca、Fe、K在菌丝界面的积累。本研究证实干旱胁迫下AM真菌菌丝形态和离子流的变化促进了菌丝与环境之间的物质交换,增强了AM真菌与宿主之间的信号传递以增强植物的抗旱性。　　(4)玉米-AM真菌共生体系基因和代谢表达谱对干旱胁迫的响应　　在本试验中,采用玉米Zea mays B73作为供试植物,接种AM真菌Rhizophagus irregularis DAOM197198,探讨AM共生体响应干旱胁迫的系统性变化。通过转录组和代谢组分析,发现AM真菌可以提高植物生物量和促进植物对P元素的吸收,调控植物氧化还原酶以及铁离子绑定的基因表达并改善植物的光合生理状况。正常水分条件下,接种提高了植物精氨酸、脯氨酸代谢途径,甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径,以及淀粉和蔗糖合成代谢途径相关基因的表达和代谢物的含量,促进植物多种氨基酸的合成和糖类物质的储存。在干旱胁迫条件下,AM真菌的MAPK信号通路、甾类和磷脂合成通路上调,促进脂类物质的合成和调控真菌对干旱胁迫的响应。AM真菌上调植物一元羧酸的代谢,调节渗透物质在植物体内的运输,引起了玉米细胞壁、质膜合成基因表达变化。接种能够通过提高植物类苯基丙烷的合成代谢途径,促进木质素的合成和运输,增强细胞壁的强度。植物在干旱胁迫下维持细胞形态和膜结构,能够改善渗透物质在植物体内的分布,促进新陈代谢过程和合成代谢产物,进而增强植物的抗旱性。　　综上,AM可以调节植物气孔行为,并通过调控植物14-3-3基因来维持植物WUE,提高植物抗旱能力。同时,AM真菌14-3-3蛋白可以调控干旱胁迫响应基因,促进干旱条件下真菌向植物输送水分。干旱条件下AM真菌菌丝形态和离子流的变化促进了菌丝与环境之间的物质交换,增强AM真菌与宿主之间的信号传递以增强植物的抗旱性。接种AM真菌能够上调植物脯氨酸代谢途径中的基因,促进植物渗透物质的积累,改善渗透物质在植物体内的分布。干旱条件下AM促进类苯基丙烷代谢过程和木质素合成,有利于增强植物的抗旱性。