锌吸收的菌根途径有助于大麦和小麦籽粒锌的积累gydF4y2Ba

背景gydF4y2Ba

提高作物锌(Zn)含量对缓解人体缺锌具有重要意义。丛枝菌根真菌(AMF)对植物锌吸收有贡献，但其在作物食用部分对锌的贡献尚未被研究。本研究旨在量化不同土壤锌有效性下小麦和大麦籽粒吸收锌的菌根途径。面包小麦(gydF4y2Ba小麦gydF4y2Ba)及大麦(gydF4y2Ba大麦芽gydF4y2Ba)生长在有菌丝室的花盆中gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba锌。植物被接种了gydF4y2BaRhizophagus irregularisgydF4y2Ba并在三种土壤锌浓度下生长。测定了谷物和秸秆中的放射性Zn含量，计算了AMF对Zn吸收的贡献。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

菌根途径对锌的吸收占小麦地上部锌吸收总量的24.3%，大麦地上部锌吸收总量的12.7%。在添加锌量最低的大麦中，菌根途径的贡献最大，在添加锌量最高的小麦中。此外，AMF还提高了面包小麦的籽粒产量。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

这些结果表明，AMF在谷物吸收锌方面具有重要作用，MPU的贡献比例取决于植物种类和土壤有效锌。gydF4y2Ba

锌(Zn)营养不良是依赖谷类食品作为主要能量和矿物质来源的人们面临的一个主要全球健康问题[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]．据估计，世界上17.3%的人口面临膳食锌摄入量不足的风险[gydF4y2Ba51gydF4y2Ba]．这个问题在土壤中植物有效锌(而不是总锌)较低的地区尤其重要[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]．因此，寻找提高作物可食用部分锌浓度的解决方案是提高食物数量和质量的一个重要障碍，特别是在全球人口不断增长和气候变化的背景下[gydF4y2Ba31gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

植物中缺乏足够的Zn会影响各种大分子的合成和功能，并降低作物的产量和质量[gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba49gydF4y2Ba]．此外，从缺锌作物(认为锌< 15和< 20 mg / kg)生产的食物gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}可能导致人体缺锌，进而影响人体健康，降低人体免疫功能，并增加儿童生长发育不良的风险或妇女不良妊娠结局的风险[gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

植物主要以游离离子(Zn)的形式从土壤中获取锌gydF4y2Ba^{２＋gydF4y2Ba}和ZnOHgydF4y2Ba^+gydF4y2Ba）.许多土壤因素限制了锌的植物有效性，包括:总锌浓度低，CaCO高gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba，高有机物质含量（> 3％），中性或碱性pH，低氧化还原条件，高浓度的配体，能够形成有机锌配合物，高微量营养素或Macronurient（尤其是p）浓度[gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]．然而，当锌在土壤中过量存在时，也可能对植物有害[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba]．增加植物在缺锌土壤中吸收锌的研究已在以前进行过[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba42gydF4y2Ba，gydF4y2Ba43gydF4y2Ba，gydF4y2Ba50gydF4y2Ba]．例如，在东南亚，跨学科项目HarvestPlus继续开发和释放新的小麦和其他作物品种，这些品种已经培育，以积累更高的谷物锌浓度[gydF4y2Ba37gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

丛枝菌根真菌(AMF)可与约80%的陆地植物物种的根形成组合，并将土壤来源的营养物质交换为植物来源的光合产物和脂质[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba]．由于AMF能够通过增加土壤矿物质的摄取来改善宿主植物的营养，因此它们作为天然肥料（生物元ilizers）的潜力越来越识别;这对于来自可以形成围绕根部形成的营养耗尽区的相对固定营养素（例如P，Zn，Fe，Cu，Cu，K）特别相关[gydF4y2Ba33gydF4y2Ba，gydF4y2Ba34gydF4y2Ba，gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]．此外，AMF可以缓解寄主植物的重金属毒性，有助于耐受土壤中高浓度的金属[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba，gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

由AMF定植的植物具有两种土壤营养吸收途径：（1）直接通过根表皮（直接摄取; DPU），（2）通过形成摄取（MPU）的菌根途径的真菌结构[gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]．使用gydF4y2Ba^65gydF4y2BaZn，Jansa等。［gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]通过标记养分在接种AMF的玉米幼苗中添加和运输的比例来量化MPU对植株锌的贡献gydF4y2Ba血管球intraradicesgydF4y2Ba(改名为:gydF4y2BaRhizophagus irregularisgydF4y2Ba）.最近，Watts-Williams等人[gydF4y2Ba48gydF4y2Ba)使用gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba以定量定量的锌总量和Zn通过MPU和DPU分别提供的相对贡献(%)的番茄植株接种gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2Ba．在该研究中，中锌浓度处理(dtpa可提取锌9.0 μg)下，通过MPU向芽中释放的锌量最大，为21.7 μggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}低锌处理(土壤dtpa可提取Zn 1.0 μg)， MPU的相对贡献率最高，达24.2%gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）.gydF4y2Ba

AMF对植物锌吸收的贡献很可能高度依赖于宿主植物种类，就像对磷的吸收一样[gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]．因此，对重要作物锌的MPU进行定量研究具有重要意义。在发展中国家，谷类作物是矿物质和蛋白质的主要来源，但大约50%种植谷物的土壤被认为缺锌[gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]．据我们所知，目前还没有研究直接测量任何谷物品种中Zn MPU对可食用部分的贡献，因此我们设计了这项研究，以测试以下具体目标:gydF4y2Ba

1. 1.gydF4y2Ba

   量化MPU对面包小麦和大麦，特别是谷物锌吸收的贡献;gydF4y2Ba

2. 2.gydF4y2Ba

   研究MPU对植物锌的贡献是否在一定范围的土壤锌浓度下被修改;gydF4y2Ba

3. 3.gydF4y2Ba

   研究接种AMF对面包小麦和大麦产量及锌含量的影响。gydF4y2Ba

为了测试这些目标，我们进行了一项温室研究，在三种不同土壤Zn有效性下，用放射性标记的Zn来量化两种谷类作物(面包、小麦和大麦)的MPU。gydF4y2Ba

丛枝菌根真菌定植gydF4y2Ba

在生理成熟期(GS90)，面包小麦和大麦的根接种gydF4y2BaRhizophagus irregularisgydF4y2Ba(面包小麦和大麦的平均值分别为53和46%)，锌的施用对定殖率有显著影响(附加文件gydF4y2Ba1gydF4y2BaS1:表;无花果。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）.在面包小麦中，随着土壤锌浓度由低/中锌增加到高锌，菌根定殖率下降16%。相比之下，大麦AMF的根定殖率在低锌和高锌时(均值为51%)高于中锌时(36%)。gydF4y2Ba

植物生长、产量及产量构成因素gydF4y2Ba

对面包小麦和大麦来说，接种AMF和施锌对植株生物量、产量和产量构成均有不同程度的影响gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）.中锌处理馒头小麦的地上生物量(谷粒+秸秆+谷壳)高于低锌和高锌处理，且随接种AMF的变化不显著gydF4y2Ba1gydF4y2Ba:表S2)。gydF4y2Ba

在面包小麦中，接种AMF对籽粒产量、谷壳数、穗粒数和穗肥指数均有显著影响。其中，接种组(+M)的籽粒产量比对照组(−M) (0.99 g和0.82 g)高21%gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}分别;无花果。gydF4y2Ba2 gydF4y2Baa)、每穗粒数和SFI分别比+M高23粒和73%(图2)。gydF4y2Ba2 gydF4y2Bae）。相比之下，谷壳比在-M植物中较低28％（额外文件）gydF4y2Ba1gydF4y2Ba:表S2)。秸秆生物质(无花果。gydF4y2Ba2 gydF4y2Bac)和平均核权值(MKW;无花果。gydF4y2Ba2 ggydF4y2Ba)，但施锌修饰，从低/中锌到高锌分别降低了8和3%。gydF4y2Ba

在大麦中，接种AMF和施锌对地上部生物量、籽粒产量、秸秆、谷壳和SFI均无影响gydF4y2Ba1gydF4y2Ba；无花果。gydF4y2Ba2 gydF4y2Bab、d;额外的文件gydF4y2Ba1gydF4y2Ba:表S3)。在产量构成因素中，每穗粒数受接种AMF与施锌互作的影响，而每穗粒数只受接种AMF的影响。在低锌处理下，未接种大麦植株的穗粒数比其他处理高52%(图2)。gydF4y2Ba2 gydF4y2Baf)。此外，+M大麦植株的MKW比-M大麦植株高37%。gydF4y2Ba2 gydF4y2BaH）。gydF4y2Ba

植物锌磷营养gydF4y2Ba

在面包小麦中，接种AMF和施锌的互作均影响籽粒和秸秆的锌浓度(见表2)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）;在籽粒中，-M植株在每个锌水平上的锌含量均高于+M植株(图2)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Baa)，颗粒Zn浓度为28.0 μg Zn ggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(平均锌含量低)至101.18 μg锌gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(平均高锌)。在秸秆组分中，Zn浓度从低锌(平均7.8 μg Zn g)急剧增加gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})至高锌(平均为256.3 μg Zn g)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}高锌时，-M植株的锌含量高于+M植株(图。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bac)。gydF4y2Ba

大麦颗粒和稻草的Zn浓度各自受Zn应用的主要作用影响，从而从低Zn增加到高Zn（表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）.在秸秆组分中，Zn的平均浓度从低锌到高锌显著增加:从11.73 μg Zn ggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}高达472.6 μg Zn ggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(无花果。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bad).颗粒Zn浓度保持在19.14 μg Zn g的范围内gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}高达114.16 μg Zn ggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(无花果。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bab)。gydF4y2Ba

面包小麦籽粒锌含量受接种AMF和施锌的交互作用影响，秸秆锌含量受接种AMF和施锌的主要效应影响(表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）.接种AMF后，籽粒Zn含量从低锌增加到中锌，增加了1.5倍(平均为24.0 μg, 60.8 μg)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})，而在-M植物中，从中锌到高锌增加了85%(分别为59.5 μg和110 μggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})(图。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bae）。在+ M植物中Zn中的Zn的积累比-M植物中的植物较低（77.7与110.0μg植物gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）.秸秆锌含量也有类似的变化趋势，其中+M植株低于-M植株(平均109.2 μg, 168.3 μg)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}，集中锌处理;无花果。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bag)。gydF4y2Ba

在浓度方面，锌处理提高了大麦籽粒和秸秆中的锌含量(图2)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Baf).从低锌施用到中锌施用和从中锌施用到高锌施用，籽粒锌含量分别增加了280和69%(植株12.2、46.4和78.4 μg)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}在低，中和高Zn中）。稻草含量（22.5,287.9和977.8μg植物，发现了类似的趋势gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}低、中、高锌;无花果。gydF4y2Ba3.gydF4y2BaH）。gydF4y2Ba

在面包小麦中，接种AMF和施锌的交互作用影响籽粒和秸秆中磷的含量(见表2)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）.在低锌和中锌条件下，接种AMF可显著提高籽粒磷含量(分别为+ 28%和+ 25%)，而在高锌条件下，接种AMF对籽粒磷含量没有影响gydF4y2Ba1gydF4y2Ba:表S2)。高锌时，+M和-M植株籽粒磷含量均为3.5 mggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})与锌利用率较低的+M植株(3.7 mg植株)中检测到的值相似gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）.在-M植株中，秸秆磷含量由低锌和中锌时的2.9 mg /株下降至高锌时的2.1 mg /株(下降率26%)。在不同锌处理下，接种AMF可降低秸秆中磷含量，但降低率不同，低锌和中锌处理降低44%，高锌处理降低29%。gydF4y2Ba

在大麦中，籽粒磷含量不受接种AMF和施锌的影响，而秸秆磷含量受接种AMF的影响(表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）.秸秆中磷含量-M株比+M株高26%gydF4y2Ba1gydF4y2Ba:表S3)。gydF4y2Ba

菌根途径对谷物和秸秆锌吸收的贡献gydF4y2Ba

的活动gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba-M植株中锌含量极低，与背景活性无差异(gydF4y2BaPgydF4y2Ba> 0.05;数据未显示)，确认没有丢失gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba锌从hc中分离出来。相比之下，+M植物的活性比本底活性高7到9个数量级(gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.05;数据未显示)。由于这个原因，以及在-M植物中没有菌根定植，我们在接下来的计算和分析中排除了模拟接种植物的数据。gydF4y2Ba

在面包小麦中，Zn的菌根吸收途径(MPU)在籽粒、秸秆和全株(籽粒+秸秆)中均以% Zn和μg Zn表达，且受Zn施用的显著影响(表2)gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba）.在低锌和中锌之间，MPU在谷物中交付Zn的百分比没有变化(平均值:8.2%)，而在高锌时显著升高(27.5%)(图2)。gydF4y2Ba4gydF4y2Baa).同样，MPU向秸秆和全株输送Zn的比例在低锌和中锌之间没有变化(分别为7.8%和8.1%)，而在高锌时显著升高(分别为22.9%和24.3%)。在籽粒、秸秆和全株中，MPU释放的Zn量在低锌和中锌之间相似，平均为3.4、3.6和7.0 μg ZngydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},分别。高锌时，MPU向籽粒、秸秆和全株(21.4、51.6和73.0 μg)的锌量gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}分别）显着高于低和中Zn递送的量。gydF4y2Ba

面包小麦吸收锌的直接途径(DPU)受锌水平的显著影响(表)gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba）.DPU在籽粒中的锌含量在中锌和高锌之间没有变化(平均57.1 μg)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})，但低锌(19.8 μg Zn)显著降低gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})(图。gydF4y2Ba5gydF4y2Baa). DPU给秸秆和全株的锌量随着锌用量的增加而逐渐增加。高锌处理下，DPU向秸秆和全株释放的锌量分别是低锌处理下的46和9倍(秸秆:4.1和192.2 μg锌处理)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}；总植株:23.9 μg，锌植株248.6 μggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）.gydF4y2Ba

在大麦中，锌进入籽粒的MPU(以总锌含量的百分比表示)受锌施用的影响显著(表)gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba）;在低锌和中锌时，MPU与平均值12.3%相似，而在高锌时则下降至7.2%(图2)。gydF4y2Ba4gydF4y2Bab).在μg Zn植物中表达MPU时gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}，观察到不同的锌处理响应模式。施锌对籽粒、秸秆和全株锌含量的MPU影响显著(表)gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba）.在籽粒中，MPU由低锌增加到中锌/高锌增加了360%(植株锌含量分别为1.4和6.5 μg)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）.将MPU与稻草和总植物逐渐从低到高Zn增加。在最高的Zn水平中，DPU在吸管中递送的Zn的量分别比低Zn高33-20倍（吸管：1.8与59.2μgZn植物gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}；总植株:3.2 μg锌vs 65.8 μg锌gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）.gydF4y2Ba

锌对大麦籽粒、秸秆和全株的DPU有显著影响(表1)gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba）.在低锌和高锌之间，DPU向籽粒中的锌量显著增加(9.8 μg比94.3 μggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）;随着施锌量的增加，秸秆和全株的DPU也逐渐增加(图2)。gydF4y2Ba5gydF4y2Bab).在高锌处理下，DPU向秸秆和全株释放的Zn量分别是低锌处理下的46倍和9倍(秸秆:19.3 vs 809.3 μg Zn)gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}；总植株:29.0 μg，锌植株903.6 μggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}）.gydF4y2Ba

在此，我们旨在填补一个重要的知识空白:定量分析在一定土壤锌浓度范围内，面包小麦和大麦籽粒中菌根途径对锌吸收的贡献。研究了接种AMF对面包小麦和大麦籽粒产量和营养的影响。我们发现，在面包小麦和大麦中，菌根途径吸收锌的比例分别为24.3%和12.7%;菌根途径对Zn的贡献高度依赖于土壤Zn浓度。现在讨论的是菌根对两种世界主要谷物作物产量和营养质量的影响。gydF4y2Ba

丛枝菌根真菌定植gydF4y2Ba

面包小麦和大麦植物都是很好的殖民gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2Ba这与Al-Karaki和Al-Omoush之前的工作一致[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba在小麦中，瓦特-威廉姆斯和卡瓦格纳罗[gydF4y2Ba46gydF4y2Ba使用同一大麦品种。提高土壤锌浓度对面包小麦菌根定殖的影响是负的，而对大麦则是可变的。已有文献报道了土壤锌供应对菌根定殖的不同影响。例如，在一项研究中，随着锌供应的增加，AMF对野生烟草根的定植也在增加[gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba[在与本研究中相同的土壤中，Cavagnaro等人。［gydF4y2Ba7gydF4y2Ba和Watts-Williams等[gydF4y2Ba48gydF4y2Ba，土壤锌浓度对土壤锌添加对番茄根系定植率没有影响。gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]的菌根定植量随土壤锌含量的增加而降低。gydF4y2Ba

谷物生长、产量和产量构成gydF4y2Ba

接种与gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2Ba在这项研究中，导致了面包小麦的产量增加，但大麦却没有。这与最近的荟萃分析一致，该荟萃分析报告了AMF对小麦产量的积极影响(增加17%)，但在许多大田和温室试验中，对大麦产量的影响仅为中性[gydF4y2Ba54gydF4y2Ba]．Pellegrino等[gydF4y2Ba35gydF4y2Ba[]提出了另一项荟萃分析，从世界各地的田间试验来看，由于接种了AMF，小麦产量提高了20%。同样地，在大田接种的几种面包小麦基因型中也观察到类似的增产(18%)gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2Ba［gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]．本研究中菌根植株的穗粒数增加，谷壳数减少，是提高产量的理想性状[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]．面包小麦籽粒产量和产量构成的增加可能与定殖植株中磷分配的变化有关，接种植株籽粒中磷含量高于模拟接种植株。然而，必须注意的是，砂质基质，罐大小小，只接种用gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2Ba在这项研究中使用的，不能代表实地情况，因此推断实地情况的结果的机会是有限的。gydF4y2Ba

谷物锌营养gydF4y2Ba

植物形成AMF的好处之一是改善锌营养[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]．包括一项荟萃分析在内的许多研究都强调，接种AMF可以提高包括谷物在内的作物的可食用部分的锌浓度[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]．然而，在本研究中，菌根面包小麦植株的籽粒Zn浓度实际上降低了，而大麦植株则不受菌根接种的影响。面包小麦锌浓度的降低可以通过菌根植株产量的增加来补偿，因此无论菌根接种与否，锌的总吸收量基本相同。然而，谷物锌的浓度是提高生物强化效果的重要因素[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]谷物的消耗产品[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]．因此，在本研究中，接种AMF对面包小麦或大麦的生物强化没有潜力。gydF4y2Ba

虽然在高锌处理(DTPA-Zn = 41.4 mg Zn kg)中，土壤Zn含量达到了很高的水平gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba})，在该处理中，我们没有观察到菌根接种对生物量的积极响应，这表明菌根在有毒锌水平下的经典“保护效应”是活跃的，正如在其他植物物种中所显示的[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba23gydF4y2Ba，gydF4y2Ba47gydF4y2Ba]．在其他研究中，也观察到AMF的保护作用gydF4y2BaM. Truncatula.gydF4y2Ba在17毫克Zn kggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}土壤(dtpa -可提取锌)[gydF4y2Ba49gydF4y2Ba]，番茄25毫克Zn kggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}土壤(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]，添加50 mg Zn kg后的红三叶草gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}土壤(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]．然而，在本研究中，在高锌水平下，AMF对秸秆或籽粒Zn的相对分配似乎具有保护作用，而不是对生物量积累的改善。重要的是，保护作用的临界值将取决于土壤阳离子交换能力，这将影响到表达土壤毒性的生物有效锌[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

锌的菌根途径gydF4y2Ba

我们的结果表明，植物总锌的相当一部分可以通过菌根途径在谷物中吸收。我们发现菌根途径的锌吸收(MPU)在面包小麦中贡献了四分之一的锌，在大麦中贡献了八分之一的锌。我们发现，这些谷类作物的菌根吸收锌的途径对植物锌营养很重要，这与早期对多种植物的研究结果一致。gydF4y2Ba

我们的研究表明，在面包小麦和大麦中，AMF对植物锌的贡献随土壤有效锌的绝对贡献(μg Zn)的增加而增加。这与追踪番茄Zn MPU的数据形成了对比，在三种不同土壤Zn浓度下，Zn的绝对贡献保持不变[gydF4y2Ba48gydF4y2Ba]．在本研究中，AMF似乎无法调节锌通过MPU进入植物的数量，即使当锌过量并可能对植物有害。这可能至少部分解释了为什么我们在大麦和小麦植株中看不到AMF的保护作用(即生物量的增加)。尽管有不同比例的贡献通过微处理器之间的小麦和大麦在高锌浓度,值得注意的是,通过菌根μg途径的贡献是几乎相同的两个物种之间的(70年和66年μg锌在面包小麦和大麦,分别)。考虑到相同的AMF种对两种不同植物的Zn贡献相同，不同的AMF种在MPU上的贡献是否不同还有待观察。这些研究将有助于我们了解，定殖的AMF物种是否比寄主植物物种对MPU活动的影响更大。gydF4y2Ba

Daei等观察了不同种类的AMF对提高小麦Zn植物营养的影响。gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]．接种gydF4y2Ba血管球contrictusgydF4y2Ba或gydF4y2Ba血管球fasciculatusgydF4y2Ba表现出锌吸收增加，而接种gydF4y2Ba血管球玛格丽塔gydF4y2Ba锌吸收与对照植株无差异[gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]．此外，植物物种/基因型和AMF物种/分离物组合的响应将受到其他土壤属性，如pH、N有效性、交换性钙和碱饱和度以及气候条件的调节[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba]．因此，与大麦相比，面包小麦对amf介导的锌吸收更强可能取决于小麦品种与分离物更高的亲和性和效率gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2Ba使用。gydF4y2Ba

在面包小麦和大麦中，amf介导的锌在植物组织内的分配随土壤锌有效性的变化而变化。在Zn水平最低时，面包小麦和大麦中分别有86%和44%的MPU Zn分配到粮食中。面包小麦和大麦在锌水平最高时，这一比例分别降至29%和10%。这可能是植物缓冲谷物在有毒土壤锌条件下积累大量锌的结果，以“保护”种子的生存能力，正如之前在同一大麦品种中观察到的[gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

在这里，我们首次量化了两种重要谷物作物的食用部分锌吸收的菌根途径。菌根真菌可以对谷类作物的锌营养作出重大贡献，但这种贡献不能在面包小麦和大麦之间推广。此外，菌根途径的贡献高度依赖于土壤Zn的有效性，而Zn在谷物和秸秆之间的相对分配与菌根接种无关。大麦中锌添加量最低时菌根途径的贡献最大，面包小麦中锌添加量最高。此外，菌根接种面包小麦籽粒产量提高21.2%，凸显了菌根真菌对产量的潜在效益，但菌根接种降低了面包小麦籽粒Zn浓度。这些结果表明，AMF对锌吸收的作用取决于AMF分离物与接种的谷物的功能相容性。然而，未来利用不同大麦品种和面包小麦品种的研究将为这一假设提供更多信息。gydF4y2Ba

菌丝室、土壤和植物的制备gydF4y2Ba

瓦特-威廉姆斯等人采用隔室盆栽设计量化了AMF对面包小麦和大麦锌吸收的贡献。[gydF4y2Ba48gydF4y2Ba)(附加文件gydF4y2Ba1gydF4y2Ba：图S1）。悬垂隔室（HCS）是用40g土壤填充的小塑料小瓶，彻底混合428±12 kBqgydF4y2Ba^65gydF4y2Bazn以形式gydF4y2Ba^65gydF4y2BaZnClgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}(美国perkins - elmer)，然后是10克的未标记土壤。hc被一个25 μm的尼龙网盖住，可以穿透AMF菌丝，但不能穿透植物的根。然后，HC盖子被电气胶带紧紧密封，以防止植物根的渗透。HC被放置在每个花盆相同的位置，尼龙网面朝花盆的中心。此外，无植物花盆(gydF4y2BangydF4y2Ba= 9)分别配制1个HC作为对照，测定土壤锌含量gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba3个不同Zn浓度处理(低、中、高Zn，重复3次)的锌活性。1 L的塑料罐里装满了1.4公斤的9:1 (gydF4y2Baw / wgydF4y2Ba)砂土混合物，含140克gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2BaWFVAM10接种物，或作为非菌根对照的模拟接种物。的gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2BaWFVAM10是DAOM 181602的同义词，DAOM 197198的早期凭证号，以前命名为gydF4y2Ba血管球intraradicesgydF4y2Ba来自加拿大蒙特利尔大学J. A. Fortin教授的转化根的无菌培养继代。的gydF4y2Bar . irregularisgydF4y2Ba添加干燥土壤、真菌孢子和外部菌丝、万金花根碎片(gydF4y2Ba万寿菊patulagydF4y2Ba)现场生产的盆栽。对照(模拟接种物)为干燥的土壤和未接种AMF的万金菊花盆根断片的混合物;接种物生长在占罐体其余90%的沙土基质上，因此体积比例与质量相同(1 / 10，或在1 L塑料罐中100ml)。这些土壤是从南澳大利亚的马拉拉地区收集的[gydF4y2Ba48gydF4y2Ba，土壤的化学特征如下:pHgydF4y2Ba_{1:5(水)gydF4y2Ba}7.1;植物可用(奥尔森)p16 mg kggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}、DTPA-可萃取锌0.65 mg kggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}［gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]．首先将土壤筛至< 2mm，然后用高压灭菌(121°C 25 min, 2次)对沙土混合物进行灭菌。沙/土混合物，以后称为“土”，添加20或75 mg Zn kggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}土壤，以ZnSO的形式gydF4y2Ba_4gydF4y2Bah·7gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}O的解决方案。这些处理以后分别称为中锌处理和高锌处理。在土壤中施用锌后，植物有效锌(DTPA-extractable) [gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]浓度分别为12.9±1.2 mg Zn和41.4±2.7 mg Zn kggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}中锌处理和高锌处理的土壤中，低锌处理不施锌，dtpa可萃取锌浓度为0.19±0.07 mg Zn kggydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}土壤。所有罐都受精25毫克无水CahpogydF4y2Ba_4gydF4y2Ba公斤gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}在不抑制AMF定植的情况下，促进植物在其他低养分土壤中的生长。gydF4y2Ba

面包小麦种子(gydF4y2Ba小麦gydF4y2Bal .)简历。斧头（从澳大利亚粮食技术获得）和两划大麦（gydF4y2Ba大麦芽gydF4y2Bal .)简历。Compass(最初来自阿德莱德大学大麦育种项目)，用10%次氯酸钠溶液浸泡10分钟进行表面消毒，然后用去离子水冲洗三次。种子pre-germinated在湿润滤纸的培养皿中2天25°C的黑暗,和两个pre-germinated种子被种植到锅里。一个星期后幼苗被减少每锅。植物生长在一个受控环境温室阿德莱德的韦特大学的校园,在月May-July 2017。在此期间，温室平均最高温度为21.2±0.14°C，平均最低温度为8.2±0.30°C。所有花盆每周用反渗透(RO)水浇水两次，从第2周开始，每周用1/10强度的改性隆阿什顿溶液(不含P和Zn)施肥一次[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

每盆添加50 mg氮(N)作为NHgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba没有gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba在试验过程中:假茎期(Zadoks生长期(GS) 30)和旗叶鞘开放期(GS47)分别施25 mg N [gydF4y2Ba52gydF4y2Ba]．试验采用完全随机设计，2个处理(接种AMF和土壤锌)的因子组合，每个处理5个生物重复，小麦和大麦各30株。gydF4y2Ba

土壤养分分析gydF4y2Ba

在生理成熟期(GS90)，从hc中提取的土壤样品放置在无植物盆栽中，烘干(105°C，浸泡48 h)，用消化剂消化gydF4y2Ba王水gydF4y2Ba(following Zarcinas et al.， 1996)，用于测定土壤总锌浓度。对其他土壤样品进行了dtpa可提取锌分析[gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]．用电感耦合等离子体原子发射分光光度法(ICP-AES, Spectroflame Modula, Spectro, Germany)测定消化液和提取物中的锌浓度。此外,gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba用γ-波谱法(1480 Wizard TM3®，Wallac, Germany)测定酶解物中的锌活性。gydF4y2Ba

收获和植物生理分析gydF4y2Ba

小麦和大麦分别在移栽后73和83 d的生理成熟期(GS90)进行破坏性收获。植株在地面切割，分成谷粒、谷壳和秸秆，然后烘干(60°C, 48 h)以测定干重。测定籽粒平均干重，计算每穗粒数和穗肥指数。SFI是每穗粒数与谷壳干重的比值。谷物和秸秆样品经Zarcinas等人消化[gydF4y2Ba53gydF4y2Ba在ICP-AES法定量磷和锌的浓度和植物的浓度之前gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba锌活性γ谱学描述的土壤(以上)。由于在壶中测量的高γ辐射(超过2 μS hgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}），无法安全地删除整个根系统。因此，通过芯片（直径为120mm深度为120mm），从每个罐中收集根样品。然后用RO水小心地从土壤中仔细洗涤根，并置于50％C.gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}HgydF4y2Ba_6gydF4y2BaO(乙醇)先用KOH(10%)澄清gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba)[gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]，并以5%的醋墨染色[gydF4y2Ba44gydF4y2Ba]．染色的根用于评估网格线相交法的AMF定植[gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

计算gydF4y2Ba

的活动gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba模拟接种植株中的锌与本底活性无差异。因此，我们计算了面包小麦和大麦的菌根对谷物和秸秆锌吸收(菌根途径:MPU Zn)的贡献(分别为%和μg Zn)，使用的比活性(SA)值gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba土壤和接种植物中的锌。gydF4y2Ba

谷物、秸秆和土壤中的SA计算公式如下:gydF4y2Ba48gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

根据Smith等人的研究[gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]，假设以菌丝长度密度测量的AMF菌丝生长与整个锅内的生长相似。因此，计算谷物和秸秆中MPU Zn的值如下:gydF4y2Ba

其中土壤总重量是整个花盆中土壤的干重(1400克)gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba锌标记的土壤重量是干重gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba锌标记的土壤在HC(40克)。gydF4y2Ba

通过总粒/秸秆锌含量(μg)和MPU粒/秸秆锌含量(μg)的差异计算DPU对面包小麦和大麦锌吸收的贡献。总MPU对锌吸收的贡献(μg)以及根系对锌吸收的直接贡献(DPU;μg)计算为谷物MPU/DPU Zn和秸秆MPU/DPU Zn之和。MPU Zn(%)计算为MPU Zn吸收量(μg)与植株总Zn含量的比值。gydF4y2Ba

统计及数据分析gydF4y2Ba

采用单因素方差分析(one- one ANOVA)分析了根菌根定植量(定植根长%)、籽粒和秸秆中MPU和DPU Zn(%和μg)以及总MPU和DPU Zn(%和μg)，以Zn用量为固定因素。在统计定植根长百分比和MPU对Zn的影响时，我们没有将模拟接种植株的数据包括在内，因为根系没有定植，也没有定植gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba锌的活动。采用双向方差分析方法，以接种AMF和施锌为固定因素，分析了水稻地上部干重、产量、产量构成因素以及籽粒和秸秆锌、磷含量。为了满足方差分析的假设，需要时，单向和双向方差分析数据进行ln或arcsin变换。在发现显著差异的情况下，采用Tukey的B事后测试评估平均值之间的差异。表和图中给出的平均值和标准误差值代表未转换的数据。所有数据使用SPSS 23.0软件(SPSS Inc.， Chicago, IL)进行分析。gydF4y2Ba

AMF:gydF4y2Ba

丛枝菌根真菌gydF4y2Ba

罗依:gydF4y2Ba

反渗透gydF4y2Ba

作者要感谢Sonia Grocke女士、Rebecca Stonor女士、Bogumila Tomczack女士、Caroline Johnston女士和Steve Tyerman教授对实验和有价值的讨论的帮助。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

AC获得了Sant 'Anna高等学校的博士奖学金，SJWW获得了阿德莱德拉姆齐大学奖学金和澳大利亚研究理事会卓越植物能量生物学中心(# CE140100008)的资助。gydF4y2Ba

数据和材料的可用性gydF4y2Ba

在当前的研究中使用和/或分析的数据集可从通信作者在合理的要求。gydF4y2Ba

从属关系gydF4y2Ba

1. 意大利比萨，圣安娜高等学校生命科学研究所，马蒂里广场Libertà 33, 56127gydF4y2Ba

   Antonio Coccina, Elisa Pellegrino和Laura ErcoligydF4y2Ba

2. 阿德莱德大学农业、食品和葡萄酒学院和韦特研究所，PMB 1，格兰奥斯蒙德，南澳大利亚，5064，澳大利亚gydF4y2Ba

   Timothy R.Cavagnaro，Michael J. McLaughlin＆Stephanie J. Watts-WilliamsgydF4y2Ba

3. 澳大利亚研究委员会植物能量生物学卓越中心，阿德莱德大学，格伦奥斯蒙德，南澳大利亚，澳大利亚gydF4y2Ba

   斯蒂芬妮·j·Watts-WilliamsgydF4y2Ba

贡献gydF4y2Ba

设计了SJWW TRC EP LE实验。进行实验:交流SJWW。分析数据:AC EP LE。写的论文:AC TRC EP LE SJWW。同位素添加和分析:SJWW AC MJM。编辑并批准了最终的手稿版本:AC TRC EP LE MJM SJWW。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Ba斯蒂芬妮·j·Watts-WilliamsgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

伦理批准和同意参与gydF4y2Ba

不适用。gydF4y2Ba

同意出版gydF4y2Ba

不适用。gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

施普林格《自然》杂志对已出版的地图和机构附属机构的管辖权要求保持中立。gydF4y2Ba

开放获取gydF4y2Ba本文遵循知识共享署名4.0国际许可协议(gydF4y2Bahttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/gydF4y2Ba）如果您向原始作者和源给出适当的信用，则允许在任何介质中进行不受限制的使用，分发和再现，提供指向Creative Commons许可证的链接，并指示是否进行了更改。Creative Commons公共领域奉献豁免（gydF4y2Bahttp://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/gydF4y2Ba)适用于本条提供的数据，除非另有说明。gydF4y2Ba

重印和权限gydF4y2Ba