Nitrogen starvation induces arbuscular mycorrhizal fungi to optimize resource allocation in sugarcane roots via suppression of basal metabolism

营养物 生物 共生 代谢途径 农学 代谢组学 根际 氮气循环 植物 生物量(生态学) 丛枝菌根 非生物胁迫 植物营养 氮气 碳水化合物代谢 转录组 作物 光合作用 新陈代谢 作物产量 拟南芥 饥饿反应 肥料 生物量分配 化学
作者
Qiang Liu,Lifang Mo,Yufang Shen,Ziqin Pang,Nyumah Fallah,Baoshan Chen,Zhaonian Yuan
出处
期刊:npj biofilms and microbiomes [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1)
标识
DOI:10.1038/s41522-026-00927-7
摘要

The interplay between nutrient availability and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) symbiosis during plant growth exhibits intricate complexity. In this study, we employ integrated physiological, transcriptomic, proteomic, and metabolomic analyses to investigate how sugarcane differentially adapts to nitrogen (N) fertilization and AMF colonization. Under nitrogen stress conditions, AMF colonization significantly enhances sugarcane growth, increasing plant height, stem diameter, and biomass while stimulating root exudation and rhizospheric nutrient mobilization-particularly available N, phosphorus (P), and potassium (K). Multi-omics analyses reveal that AMF induces nitrogen-dependent metabolic reprogramming in sugarcane roots, activating pathways such as carbohydrate and lipid metabolic pathways while suppressing butanoate and ascorbate metabolism. Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) identifies key root modules strongly correlated with soil N, P, and K availability, indicating AMF-mediated coordination of nutrient acquisition strategies. Field trials demonstrate that AMF boost sugarcane yield under nitrogen stress by enhancing root elongation and carbon partitioning for sucrose accumulation. Temporal integration of transcriptomic and metabolomic data highlights flavonoid biosynthesis as a persistently activated pathway across growth stages, potentially facilitating AMF symbiosis and stress resilience. Our findings elucidate how sugarcane optimizes AMF-mediated nutrient acquisition under nitrogen stress through root transcriptional and metabolic adjustments, providing insights for sustainable crop nutrient management.
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