Azolla与水稻共培养通过代谢组重编程促进生长的分子机制研究

　　本研究针对可持续农业发展中氮肥过度使用问题，通过非靶向代谢组学(UPLC-UHR-QqToF-MS)结合分子网络分析，揭示了Azolla作为生物刺激素与水稻共培养时，通过释放二肽/三肽和小分子代谢物激活水稻根系氮转运系统(PTR/ABC)，诱导叶片黄酮苷积累的系统性生长促进机制，为绿色农业提供了新策略。

　　

在面临全球人口激增与气候变化双重挑战的背景下，传统农业依赖化学氮肥的弊端日益凸显。水稻作为全球半数人口的主粮，其种植过程中过量的铵态氮肥使用不仅导致土壤退化，还会引发水体富营养化。中国和越南农民数百年前就发现，在水稻田中放养一种名为Azolla的蕨类植物能显著提高产量。这种小型水生蕨类通过与蓝藻Anabaena azollae共生，具备惊人的固氮能力（30-40 kg N ha^-1
/两周），但其促进作物生长的分子机制始终成谜。

意大利国家研究委员会等机构的研究团队在《Rice》发表的研究，首次从代谢组学角度揭示了Azolla超越传统氮肥功能的生长促进作用。研究人员采用超高效液相色谱-超高分辨质谱联用技术(UPLC-UHR-QqToF-MS)，结合多维化学计量分类(MSCC)和分子网络分析(GNPS)，对共培养体系中的水稻器官和培养液进行了系统检测。实验设计包含水稻单培养(-AZ)和与Azolla共培养(+AZ)两组，分别在40天和60天采集样本，并通过转录组测序(RNA-seq)验证关键发现。

Azolla释放的生物活性物质谱
培养液分析显示，Azolla能持续分泌小分子代谢物，特别是二肽（如Ala-Gln、Arg-Ile）和三肽（Lys-Gly-Thr），以及黄酮苷类物质（槲皮素-3-O-葡萄糖苷等）。分子网络分析（图7）揭示这些物质形成特征性代谢簇，其中检测到γ-氨基丁酸(GABA)含量异常升高（log₂
FC>10），该物质已知能调控植物氮代谢。有趣的是，单独培养的Azolla释放代谢物数量(2894种)远超共培养体系(400种)，暗示水稻可能主动吸收这些活性成分。

根系代谢的重编程
共培养40天时，水稻根系出现显著代谢重塑（图3b），140种代谢物水平发生改变，其中45种蛋白相关代谢物（如二甲基精氨酸、ACC）和36种脂质（亚油酸等）显著上调。转录组数据显示，6个质子依赖性寡肽转运蛋白(PTR)和4个ABC转运蛋白基因表达改变，特别是OsPTR1表达下调7.76倍，反映根系对氮源获取策略的转变。脂质代谢相关基因中14个差异表达基因（11个上调）共同促进了细胞膜重构。

叶片防御系统的激活
随时间推移，代谢调控中心从根系向叶片转移。60天时叶片中20种代谢物显著增加，包括5种脂质和3种黄酮苷（图6）。特别值得注意的是木酮糖-5-磷酸（碳水化合物代谢关键中间体）和胡椒基醛（防御相关次生代谢物）的积累，这与叶片生物量增加的表型（图1c）高度吻合。Van Krevelen图（图4a,c）直观展示了不同培养阶段元素组成的变化规律。

跨器官信号传递机制
研究发现了独特的时空调控模式：Azolla释放的代谢物首先激活根系氮转运系统，随后诱导叶片次生代谢。这种"根系先响应-叶片后适应"的模式（图2a,b）与海藻生物刺激素的作用轨迹相似。关键的是，在严格控制的低氮环境中（Yoshida溶液每两周更换），这些效应完全独立于传统无机氮肥功能。

该研究首次绘制了Azolla-水稻互作的分子图谱，证明小肽和黄酮苷类物质是跨界信号传递的关键媒介。从应用角度看，这些发现为开发基于Azolla提取物的新型生物刺激素提供了理论依据，其特有的双重功能（氮源供给+代谢调控）有望减少50%以上的化学氮肥使用。从科学意义而言，研究建立的"代谢组-转录组-表型"多维解析框架，为理解植物-植物互作提供了新范式。未来研究可聚焦Azolla特异代谢物的合成途径，以及这些物质对根际微生物组的调控作用，进一步优化可持续稻作系统。