摘要
土壤盐渍化严重制约玉米生产。为探究丛枝菌根真菌（AMF）对玉米耐盐性的调控作用及其生理与分子机制，该研究以玉米‘郑单958’为材料，采用盆栽实验，设置盐胁迫与AMF接种处理，系统分析玉米的生长指标、抗氧化系统[丙二醛（MDA）含量、抗氧化酶活性]、光合特性、离子稳态（Na+和K+的含量）及相关基因（ZmNHX1、ZmHAK1）的表达变化。结果表明：（1）盐胁迫显著抑制玉米生长，导致MDA积累、光合效率降低和地上部Na+过量积累。（2）接种AMF使株高、地径和干重分别提高22.7%、18.9%和31.4%，叶片MDA含量降低26.5%，并增强抗氧化酶活性与光合性能。（3）AMF促进根系Na+外排和K+吸收，使叶片Na+/K+比值下降34.2%，同时上调ZmNHX1和ZmHAK1的表达。综上，AMF通过激活抗氧化防御系统、维持离子稳态、改善光合功能及调控关键转运基因表达，有效增强玉米耐盐性。该研究为利用AMF修复盐渍化土壤及玉米抗逆育种提供了理论依据。
Abstract
Soil salinization is a major abiotic stress limiting maize production. This study aimed to investigate the effects of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on enhancing salt tolerance in maize and to elucidate the underlying physiological and molecular mechanisms. A pot experiment was conducted using the maize cultivar‘Zhengdan 958’ as material. Plants were subjected to salt stress with or without AMF inoculation. Growth parameters, antioxidant system (MDA content, antioxidant enzyme activities), photosynthetic characteristics, ion homeostasis (Na+ and K+ contents), and the expression changes of key transporter genes (ZmNHX1 and ZmHAK1) were systematically analyzed. The results were as follows: (1) Salt stress significantly inhibited maize growth, leading to MDA accumulation, reduced photosynthetic efficiency, and excessive Na+ accumulation in shoots. (2) AMF inoculation increased plant height, stem diameter, and dry weight by 22.7%, 18.9%, and 31.4%, respectively. AMF decreased leaf MDA content by 26.5%, enhanced antioxidant enzyme activities, and improved photosynthetic performance. (3) AMF promoted root Na+ exclusion and K+ uptake, resulting in a 34.2% decrease in the leaf Na+/K+ ratio. These changes were accompanied by upregulated expression of ZmNHX1 and ZmHAK1 genes. In conclusion, AMF enhances maize salt tolerance by activating the antioxidant defense system, maintaining ion homeostasis, improving photosynthetic function, and regulating key transporter gene expression. This study provides a theoretical foundation for the application of AMF in saline soil remediation and stress-resistant maize breeding.
土壤盐渍化是制约全球农业可持续发展的重大环境问题。根据联合国粮食及农业组织（FAO）2024年发布的《全球盐渍土现状》报告，全球受盐渍化影响的土地面积已达13.81亿hm2，占全球土地总面积的10.7%，且因气候变化与人为不当灌溉，另有约10亿hm2土地面临盐渍化风险。高盐环境不仅破坏土壤理化性质，还通过渗透胁迫、离子毒害及氧化损伤等多重机制抑制植物生长发育，导致作物减产甚至绝收(郭林繁等，2023)。玉米（Zea mays）作为世界三大粮食作物之一，对盐分胁迫极为敏感，在盐渍化土壤中，玉米常表现出生长迟缓、光合效率下降及产量锐减等问题，严重威胁全球粮食安全(李懿璞等，2024)。因此，挖掘其耐盐潜力并开发绿色改良策略具有重要意义。
丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）是一类广泛存在于土壤中的专性共生微生物，能与约 80% 的陆生植物形成菌根共生体。杜丽君等（2025)研究表明，AMF在改善植物矿质营养吸收、增强抗逆性等方面发挥关键作用。在盐胁迫条件下，AMF可通过扩大根系吸收范围，促进磷、钾等养分的摄取，缓解盐离子对植物的毒害(Gao et al., 2020)；同时，AMF还能调节植物抗氧化酶活性，减轻氧化应激损伤，并通过影响激素平衡、调控渗透调节物质合成，增强植物的渗透调节能力(Bahadur et al., 2019)。
然而，目前关于AMF 缓解植物盐胁迫的研究多集中于模式植物及部分经济作物，针对玉米的研究相对较少，且其作用机制（尤其是在离子稳态调控及分子水平上的响应）仍需深入探究。此外，当前大多数研究集中于单一盐胁迫，而在实际农田环境中，盐害常与干旱、高温等胁迫交织发生，形成复合胁迫，其对AMF和玉米共生体系的影响尚未系统揭示。近年来，相关研究比较盐碱荒地与农田生态系统中AMF与细菌的群落结构，发现高盐条件下AMF的α多样性升高、网络复杂性增强，这一发现为真菌协同调控的盐碱地修复策略提供了新思路(Zhu et al.，2025)。
本研究以玉米品种‘郑单 958’为实验材料，通过盆栽控制实验，系统研究摩西斗管囊霉（Funneliformis mosseae）接种对 150 mmol·L-1 NaCl 胁迫下玉米的生长、抗氧化系统、离子稳态及光合作用的影响，并结合 Na+/K+转运相关基因（ZmNHX1、ZmHAK1）的表达分析，揭示 AMF 增强玉米耐盐性的潜在机制。本研究结果将为深入理解 AMF与植物共生体系的耐盐机制提供理论依据，同时为盐渍化农田中 AMF 的生态应用及玉米抗逆品种改良提供科学参考，对推动盐碱地农业可持续发展具有重要的理论与实践价值。
1 材料与方法
1.1 材料
选用颗粒饱满、大小均一的玉米品种‘郑单 958’种子用于实验。丛枝菌根真菌（AMF）选用摩西斗管囊霉（F. mosseae），由中国科学院微生物研究所提供，接种剂为含孢子、菌丝和根段的沙质基质，孢子密度约为10 个·g-1。实验所用土壤为经高温灭菌（121 ℃，2 h）的混合土，由壤土、蛭石和珍珠岩按 3∶1∶1（V/V/V）比例配制，土壤基础理化性质如下：pH 值 7.2，有机质含量 12.5 g·kg-1，碱解氮 45 mg·kg-1，速效磷 18 mg·kg-1，速效钾 120 mg·kg-1。
1.2 方法
实验在辽宁省丹东市辽东学院作物育种试验基地人工气候室中进行，环境条件设置如下：白天温度（28±2）℃，夜间温度（22±2）℃，光照强度400 μmol·m-2·s-1，光照时长 14 h·d-1，相对湿度 60%~70%。采用盆栽控制实验，共设置4个处理组（6次生物学重复）：对照组（CK）、AMF组、150 mmol·L-1 NaCl胁迫组、AMF+ 150 mmol·L-1 NaCl胁迫组（NaCl+AMF）。
每盆装土2 kg，将AMF接种剂按每盆50 g 的量均匀混入土壤，对照组加入等量灭菌后的AMF接种剂。每盆播种3粒，待玉米幼苗长至三叶一心期时（播种后15 d），间苗保留1株长势一致的幼苗后开始处理，通过浇灌150 mmol·L-1NaCl 溶液（以0.5倍Hoagland营养液配制）进行，每周浇灌2次（以基质表面开始出现干燥为准），每次每盆浇灌300 mL（基质渗滤液约15%），对照组浇灌等量0.5倍Hoagland营养液，共处理4周，直至玉米拔节期（播种后45 d）结束。试验期间使用EC测定仪（B173，霍里巴公司，日本）测定基质滤出液电导率（electrical conductivity, EC，dS·m-1）以监测盐胁迫水平的稳定性（图1）。
图
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实验期间基质滤出液电导率的变化
Fig.
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Change of the leachate electrical conductivity during the experimental period
1.3 植株生长指标测定
实验处理结束后，每个处理随机选取6株玉米苗，测定株高（从基部至植株顶端的垂直高度）、地径（茎基部直径），之后将植株地上部分收集，于105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，称取干重。
1.4 AMF接种效率测定
AMF定殖率测定采用酸性品红染色法，取各处理玉米植株的新鲜根段1~2 cm，经KOH透明、HCl 酸化后染色，在光学显微镜下观察，计算定殖率（定殖率=定殖根段数/总根段数×100%）；土壤AMF孢子密度测定采用湿筛倾注-蔗糖离心法，称取100 g风干土样分级过滤，用 1.2 g·cm-3蔗糖溶液离心分离孢子，在体视显微镜下计数。
1.5 抗氧化系统指标测定
取新鲜叶片 0.5 g，加入预冷的 50 mmol·L-1 磷酸缓冲液（pH 7.8），在冰浴条件下研磨成匀浆，4 ℃、12 000 r·min-1离心 20 min，取上清液用于抗氧化酶活性和丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量测定。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性采用氮蓝四唑（nitroblue tetrazolium，NBT）光化还原法测定；过氧化物酶（peroxidase，POD）活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶（catalase，CAT）活性采用紫外吸收法测定；MDA 含量采用硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）法测定。
1.6 光合作用参数测定
使用便携式光合仪（LI-6400，LI-COR，美国）于上午9:00—11:00测定叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2 浓度（Ci）。测定时选取植株顶部完全展开叶，设定光照强度为1 200 μmol·m-2·s-1，CO2 浓度为 400 μmol·mol-1，叶室温度为 28 ℃。
1.7 离子稳态指标测定
将烘干后的植株叶片样品研磨成细粉，称取0.2 g样品置于消煮管中，加入5 mL 浓 HNO3 和 1 mL H2O2，在电热板上进行消煮至溶液澄清透明。消煮液冷却后，用去离子水定容至50 mL，采用火焰原子吸收分光光度计（AA-6880，Shimadzu，日本）测定 Na+和K+浓度，并计算叶片中 Na+/K+比值。
1.8 基因表达分析
取新鲜叶片 0.2 g，采用 TRIzol 试剂提取总 RNA，通过逆转录试剂盒（PrimeScriptTM RT reagent Kit with gDNA Eraser，TaKaRa，日本）合成 cDNA。利用实时荧光定量 PCR（qRT-PCR）检测ZmNHX1和ZmHAK1基因的表达水平，以玉米β-actin基因为内参基因。qRT-PCR 反应体系（20 μL）如下：10 μL SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ（TaKaRa），0.8 μL上、下游引物（10 μmol·L-1），2 μL cDNA 模板，6.4 μL ddH2O。反应程序如下：95 ℃预变性30 s；95 ℃变性5 s，60 ℃退火 30 s，40个循环。采用2-ΔΔCt法计算基因相对表达量，PCR引物由西安警科泽西生物科技有限责任公司合成，引物设计如表1。
表
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引物序列
Table
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Primer sequences
1.9 数据分析
实验数据采用 JMP16 软件进行统计分析，通过单因素方差分析（one-way ANOVA）和 Duncan 多重比较检验不同处理组间显著性差异（P<0.05），数据结果以“平均值 ± 标准差”表示。采用 GraphPad Prism 8 软件进行绘图，利用在线网络平台（https://www.chip lot.online）进行相关性热图绘制。
2 结果与分析
2.1 AMF 定殖率和土壤孢子密度的整体差异
不同实验处理对玉米根系AMF定殖率和土壤孢子密度产生显著影响（P<0.05，表2），未接种AMF的处理组（CK、NaCl）中，根系AMF定殖率均为0.0%，土壤孢子密度仅检测到 0~2 个·100 g-1（推测为灭菌残留或空气污染）；与之相反，正常生长条件下AMF 组玉米根系AMF定殖率达53.6%，土壤孢子密度达116.7个·100 g-1，证明AMF已与玉米建立稳定的功能性共生关系；在 150 mmol·L-1 NaCl 胁迫下（NaCl+AMF组），上述指标虽较AMF组分别降低14.0%和24.9%（定殖率46.1%和孢子密度87.6个·100 g-1），但仍远高于未接种组，表明盐胁迫仅轻微抑制AMF的定殖与繁殖能力，未破坏其核心共生功能。
2.2 AMF 对盐胁迫下玉米生长指标的影响
与对照（CK）相比，盐胁迫（NaCl）处理显著抑制玉米生长，其株高（plant height，H）、地径（stem diameter，SD）和干重（dry weight，DW）分别降低了28.6%、21.3% 和 42.1%（图2）；而 AMF 接种显著缓解了盐胁迫对玉米生长的抑制作用，NaCl+AMF处理组的株高、地径和干重较 NaCl 组分别增加 22.7%、18.9%和 31.4%。在非盐胁迫条件下，AMF组较CK组的生长指标也有所提升，但增幅低于盐胁迫下的促进效果，表明AMF在盐逆境中对玉米生长的促进作用更为显著。
表
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不同处理下玉米根系 AMF 定殖效率
Table
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Colonization efficiency of AMF in maize roots under different treatments
注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）；数据为6次生物学重复的平均值±标准差。
Note: Different lowercase letters following data in the same column indicate significant differences between treatments(P<0.05); values are expressed as of six biological replicates.
2.3 AMF 对盐胁迫下玉米抗氧化系统的影响
盐胁迫导致玉米叶片MDA含量显著增加，较 CK 组升高 87.3%，表明细胞膜脂过氧化程度加剧；而 AMF 接种使盐胁迫下玉米叶片的 MDA 含量显著降低26.5%（图3：A）。虽然盐胁迫下SOD、POD和CAT活性均显著升高，以清除过量的活性氧（ROS），但仍无法完全抵消盐胁迫的伤害。AMF 接种后，其SOD、POD 和 CAT 活性较 NaCl 处理分别提高 32.1%、28.6% 和 24.5%（图3：B-D），表明 AMF 通过强化抗氧化防御系统，减轻盐胁迫诱导的氧化损伤。
2.4 AMF 对盐胁迫下玉米离子稳态的影响
盐胁迫显著增加了玉米叶片的 Na+含量，降低了K+含量，导致叶片 Na+/K+比值显著升高。但与 NaCl 处理相比，NaCl+AMF组的叶片中Na+含量明显降低了 22.8%，K+含量提高了 24.1%，叶片 Na+/K+比值降低 34.2%（图 4）。这说明 AMF 通过调节离子的吸收、运输和分配，维持盐胁迫下玉米体内的离子平衡。
2.5 AMF 对盐胁迫下玉米光合作用的影响
盐胁迫显著降低玉米叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和胞间 CO2 浓度（Ci），较 CK 组分别下降 41.2%、53.6% 和 38.9%；而AMF 接种显著缓解了盐胁迫对光合作用的抑制，NaCl+AMF处理组的 Pn、Gs 和 Ci 较 NaCl 处理组分别提高了37.8%、45.2% 和 32.6%（图 5）。此外，NaCl+AMF组的蒸腾速率（Tr）也显著高于 NaCl组，表明 AMF 可能通过改善气孔功能和碳同化效率，增强了盐胁迫下玉米的光合系统稳定性。
图
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AMF 对盐胁迫下玉米株高（A）、地径（B）和干重（C）的影响
Fig.
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Effects of AMF on plant height (A), stem diameter (B), and dry weight (C) of maize under salt stress
2.6 AMF 对盐胁迫下玉米Na+/K+转运相关基因表达的影响
关键基因表达分析结果显示，盐胁迫显著上调了玉米叶片中ZmNHX1（液泡 Na+区隔化）和ZmHAK1（K+转运）基因的表达（图6：A），较 CK 组分别升高 2.3 倍和1.8倍；而AMF接种则增强了盐胁迫下这两个基因的表达水平，NaCl+AMF组ZmNHX1和ZmHAK1基因的表达量较 NaCl组分别提高了 42.6% 和 38.9%（图6：B、C）。这表明 AMF 通过调控 Na+/K+转运相关基因的表达，促进液泡对 Na+的区隔化和K+的选择性吸收，从而维持细胞内的离子稳态，增强玉米的耐盐性。
2.7 AMF对盐胁迫下玉米各指标相关性分析
进一步相关性分析发现（图7），玉米苗的株高、地径和干重等生长指标与光合参数（Pn、Gs、Ci）均呈显著正相关（P<0.05），而与Na+含量及Na+/K+比值呈显著负相关（P<0.05）。同时，上述光合参数不仅与MDA含量呈极显著负相关，也与Na+浓度及Na+/K+比值呈极显著负相关。此外，ZmNHX1和ZmHAK1基因的表达量与抗氧化酶活性（POD、CAT、SOD）呈极显著正相关，与离子浓度指标呈显著相关（P<0.05）。上述结果表明，AMF可能通过上调离子转运基因ZmNHX1和ZmHAK1的表达，增强抗氧化酶活性并调节Na+/K+平衡，进而提升光合效率，促进盐胁迫下玉米植株生长的恢复。
3 讨论与结论
盐胁迫会直接抑制植物细胞的分裂与伸长，导致植株生长迟滞和生物量显著下降，这主要归因于离子毒害和渗透胁迫对细胞结构与功能的破坏(Ondrasek et al.，2022)。本研究发现，盐胁迫显著抑制玉米生长，而接种AMF则有效缓解了盐害，这一结果与AMF 可增强植物耐盐性(王倩倩等，2025)的结论一致。AMF 接种显著提升盐胁迫下玉米的株高、地径和干重，可能得益于其对根系形态的改善和养分吸收能力的增强。Huang等（2023)研究表明，AMF 菌丝网络可扩大根系吸收范围，促进磷、钾等矿质元素的吸收，进而提高植株的生长势。
盐胁迫还会破坏细胞代谢平衡，诱发氧化应激，导致活性氧（ROS）大量积累。植物依赖抗氧化系统通过酶促和非酶促途径清除过量ROS，维持氧化还原稳态，这是应对盐害的核心机制(Ma et al.，2022)。本研究中，盐胁迫引发玉米植株MDA 积累，而 AMF 接种降低了 MDA 含量，增强了 SOD、POD 和 CAT 等抗氧化酶活性。这表明 AMF 可能通过激活抗氧化防御系统，减少ROS的积累，维持细胞膜的完整性。Liu等（2016)研究提出，AMF 和作物共生可调节植物激素水平（如脱落酸、水杨酸），进而调控抗氧化酶基因的表达，增强植物的氧化应激耐受能力。
图
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AMF 对盐胁迫下玉米叶片丙二醛含量及超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性的影响
Fig.
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Effects of AMF on MDA content and activities of SOD, POD, and CAT in maize leaves under salt stress
图
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AMF 对盐胁迫下玉米叶片 Na+、K+含量及叶片Na+/K+比值的影响
Fig.
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Effects of AMF on Na+ and K+ contents and leaf Na+/K+ ratio in maize leaf under salt stress
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AMF 对盐胁迫下玉米叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和胞间 CO2 浓度（Ci）的影响
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Effects of AMF on net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance(Gs), and intercellular CO2 concentration(Ci) in maize leaves under salt stress
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AMF 对盐胁迫下玉米叶片ZmNHX1和ZmHAK1基因相对表达量的影响
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Effects of AMF on relative expression levels of ZmNHX1 and ZmHAK1 genes in maize leaves under salt stress
此外，光合作用也是受盐胁迫影响的核心生理过程之一。盐胁迫初期会引发植物叶片的气孔关闭，通过降低气孔导度（Gs）来减少水分流失，并限制CO2的供应，进而导致净光合速率（Pn）下降；同时Na+积累等造成的离子毒害和渗透胁迫也会干扰叶绿素合成、抑制光合酶活性(Ma et al.，2025)。本研究发现盐胁迫会导致玉米光合植株效率下降，而 AMF 接种显著提升了Pn和Gs。这可能是由于 AMF 改善了植株的水分和养分吸收，减轻了盐胁迫对光合机构的损伤(韩冰等，2012)。同时，AMF 共生也可能通过调节气孔开闭相关基因的表达，维持气孔功能的稳定，进而促进光合作用的顺利进行(王策等，2021)。
最直接的是，盐胁迫导致Na+大量进入细胞，破坏细胞质膜电位并引起K+外流，导致细胞内K+/Na+比例严重失衡，因此离子稳态调控是植物应对盐胁迫的关键机制。本研究中，AMF 通过促进根系 Na+外排和 K+吸收，显著降低叶片 Na+/K+比值，这与ZmNHX1和ZmHAK1基因的上调表达密切相关。ZmNHX1负责将细胞质中的 Na+区隔化至液泡，降低胞质 Na+浓度(Porcel et al.，2016)；ZmHAK1则参与 K+的选择性吸收和转运，维持细胞内的离子平衡。AMF 可能通过调节这些转运蛋白基因的表达，增强玉米对盐离子的区隔化和选择性吸收能力(Wu et al.，2022)。
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AMF对盐胁迫下玉米植物形态和生理各性状的相关性
Fig.
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Correlation of AMF on morphological and physiological characters of maize under salt stress
因此，本研究通过接种AMF有效调控了玉米的抗氧化防御、离子稳态及光合功能，显著缓解了150 mmol·L-1 NaCl（电导率约15 dS·m-1）对玉米的伤害(高鹏等，2019)。这表明在典型盐渍化土壤中（电导率约4 dS·m-1），AMF具备应用于玉米生态种植的潜力。然而，本研究仍存在一定局限。例如，接种不同AMF菌株 [如摩西斗管囊霉和扭形球囊霉（Glomus tortuosum）]后，玉米籽粒产量的增幅介于26.9%~57.9%之间，说明在盐胁迫条件下，不同AMF菌株的缓解效应存在差异(张晨曦，2022)。此外，不同玉米基因型在耐盐性及与AMF的共生效率上也表现不一，尤其是一些盐敏感的玉米品种(张春楠等，2020)。后续研究应聚焦于多品种与多AMF菌株的匹配筛选，并在真实盐渍化土壤中进行田间验证，以系统评估AMF在复杂田间环境中的实际应用潜力。