来自Gluconacetobacter diazotrophicus PAL5的挥发性化合物通过调节光合作用和蛋白质网络，促进拟南芥（Arabidopsis thaliana）的生长

本研究评估了固氮菌Gluconacetobacter diazotrophicus PAL5释放挥发性有机物（VOCs）对拟南芥生长、光合效率和蛋白质组的影响。结果表明，VOCs显著提高植物生物量（鲜重增加228.6%，干重增加248.7%），并增强光合效率（光化学淬灭提升40.3%，电子传递速率提升54.3%）。蛋白质组分析显示，植物通过调控光合相关通路及叶绿素合成相关蛋白实现分子重编程。GC-MS鉴定出18种VOCs，包括羧酸类、硫化合物等，部分具有已知促生活性。进一步研究发现，乙烯信号通路（EIN2-5）介导了VOCs的促生长效应。该研究揭示了细菌通过VOCs独立于内生根殖促进植物生长的机制，为可持续农业提供了新见解。

　　

Fabiano Silva Soares | Clara Yohana Maia | Kariny Marley de Castro Martins | Júlia Rosa Moreira | Wálaci da Silva Santos | Elaine Gimenez Guimar?es | Wallace de Paula Bernado | Guilherme Augusto Rodrigues de Souza | Eliemar Campostrini | Hilton César Rodrigues Magalh?es | Guilherme Juli?o Zocolo | Vanildo Silveira | Gon?alo Apolinário de Souza Filho

生物技术实验室（整合生物学单元），生物科学与生物技术中心，基因组学与蛋白质组学部门，北弗卢米ネンセ州立大学（UENF），坎波斯-杜斯-戈伊塔卡塞斯，里约热内卢 28013-602，巴西

摘要

促进植物生长的细菌（PGPB）能够产生挥发性有机化合物（VOCs），这些化合物可以在不与植物发生物理接触的情况下增强植物的生长。Gluconacetobacter diazotrophicus PAL5是一种众所周知的内生型PGPB，但其释放促进植物生长的VOCs的能力尚未得到证实。在本研究中，我们评估了G. diazotrophicus PAL5释放的VOCs的组成及其对拟南芥（Arabidopsis thaliana）生长、光化学效率和蛋白质组学特征的影响。VOCs暴露导致生物量显著增加，鲜重和干重分别增加了228.6%和248.7%。蛋白质组学分析显示，特别是在与光合作用相关的途径中发生了广泛的分子重编程。叶绿素荧光测量结果证实了光化学效率的提高，表现为光化学淬灭作用（增加40.3%）和电子传输速率（增加54.3%），以及叶绿素a（增加30.8%）、叶绿素b（增加40.1%）和总叶绿素含量（增加29.1%）。气相色谱-质谱联用技术鉴定出18种VOCs，包括羧酸、硫化合物、醇类和萜类化合物，其中一些化合物具有已知的植物刺激作用。此外，使用A. thaliana突变体进行的实验表明，乙烯信号通路（EIN2-5）参与了观察到的生长促进效应。我们的研究结果表明，G. diazotrophicus PAL5通过释放VOCs独立于内生定植来促进植物生长。这项研究为细菌与植物之间的通信提供了新的见解，并强调了G. diazotrophicus产生的VOCs作为可持续农业生物刺激剂的潜力。

引言

提高农业生产力仍然是到2050年养活约100亿人口所面临的主要挑战之一（Hunter等人，2017年）。过去几十年中，化学肥料的广泛使用在提高全球作物产量方面发挥了关键作用。然而，氮（N）、磷（P）和钾（K）肥料的过度和不平衡施用导致了一系列负面后果，包括土壤养分失衡、水源污染、土壤微生物群落破坏、食物中有害物质的积累以及生产成本的上升（Penuelas等人，2023年）。鉴于这些影响，采用减少对化学肥料依赖的可持续农业实践已成为确保长期粮食安全的优先事项（Brunelle等人，2024年；Rehman等人，2022年）。

在这种情况下，使用有益微生物，特别是促进植物生长的细菌（PGPB），是一个有前景的策略。这些细菌栖息在根际或叶际，或作为内生菌存在，通过生物固氮（BNF）、养分溶解以及产生生物活性化合物（包括植物激素、铁载体和挥发性有机化合物（VOCs）等机制来促进植物生长（Orozco-Mosqueda等人，2018年）。

细菌产生的VOCs是低分子量（<300 Da）且高度可扩散的化合物，能够在土壤和空气中短距离和长距离内发挥作用（Poveda，2021年）。自2003年首次报道其促进生长的作用以来，已从1,349种微生物中鉴定出超过3,500种VOCs，主要包括芳香族化合物、醇类、酯类、含氮化合物和酮类（Kemmler等人，2025年）。这些VOCs可以通过抑制病原体、诱导防御反应或直接刺激植物生长来使植物受益（Poveda，2021年）。

植物暴露于PGPB释放的VOCs后，会伴随多种形态学、生理学和分子变化（Sharifi和Ryu，2018年）。在根系中，细菌VOCs可以以多种方式调节根系结构，促进侧根发育和根毛形成，在某些情况下抑制主根伸长，这些变化共同增强了植物探索根际的能力（Gutiérrez-Luna等人，2010年）。在茎部，观察到叶面积增加、细胞扩张和总生物量增加，反映了营养生长的刺激（Lee等人，2012年；Zhang等人，2007年）。

除了这些形态学效应外，细菌VOCs还会诱导生理和分子反应，如光合作用活性增强、叶绿素和类胡萝卜素含量增加，这与叶绿体密度提高、与光合作用相关的基因激活以及铁吸收增强有关（Zhang等人，2008年）。研究还揭示了与氨基酸和碳水化合物代谢、抗氧化剂产生、应激反应、光合作用和激素信号传导相关的途径变化，这些变化是由细菌VOCs触发的一系列转录组和蛋白质组变化（Kwon等人，2010年；Zhang等人，2007年）。这些化合物还可以通过调节植物激素（如生长素、细胞分裂素、乙烯、脱落酸和水杨酸、茉莉酸）的生物合成、感知、运输和信号传导来直接调节植物生长（Tyagi等人，2018年）。

Gluconacetobacter diazotrophicus是一种特征明确的内生型PGPB，最初从巴西的甘蔗中分离出来（Eskin等人，2014年）。它能够定植于多种宿主上，并通过生物固氮（BNF）、产生吲哚-3-乙酸和赤霉素以及溶解磷和锌等机制促进多种作物的生长，这些机制得到了基因组学证据的支持（Eskin等人，2014年）。尽管其通过内生定植促进生长的能力已被充分证实，但尚不清楚G. diazotrophicus是否能够释放具有促进植物生长活性的VOCs。此外，植物对这些VOCs的反应的分子机制尚不清楚。

在这里，我们研究了G. diazotrophicus PAL5产生的VOCs是否能够促进A. thaliana的生长。我们结合了形态学、生理学和蛋白质组学分析，并使用激素信号突变体来探讨涉及的途径。VOC的组成也通过气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）进行了鉴定。我们假设G. diazotrophicus PAL5独立于内生定植来促进植物生长，并试图阐明其中的关键分子机制。

细菌菌株和培养条件

Gluconacetobacter diazotrophicus PAL5从巴西坎波斯-杜斯-戈伊塔卡塞斯的UENF细菌培养 kolec??o 中获得，在DYGS琼脂培养基（g L^-1：2.0葡萄糖、1.5蛋白胨、2.0酵母提取物、0.5 K₂HPO₄、0.5 MgSO₄.7H₂O、1.5谷氨酸、15.0琼脂；pH 6.0）上于30°C培养72小时。将一个菌落接种到5 mL DYGS肉汤中，并在30°C、250 rpm下培养48小时。然后，将5 mL该培养物转移到45 mL新鲜肉汤中，在相同条件下继续培养12小时。

G. diazotrophicus PAL5产生的VOCs对A. thaliana生长的影响

为了研究G. diazotrophicus释放的VOCs对A. thaliana生长的影响，将野生型（WT）种子与PAL5菌株共同培养在I-plate上21天（图1）。如图1a和b所示，VOC暴露显著促进了植物生长。与对照组相比（图1c和d），鲜重和干重分别增加了228.6%和248.7%。这些结果表明，G. diazotrophicus PAL5释放的VOCs对A. thaliana的生物量积累有积极影响。

讨论

在这项研究中，我们研究了A. thaliana幼苗对G. diazotrophicus PAL5产生的VOCs的反应，重点关注植物形态、光化学效率和蛋白质组学特征。我们的数据表明，G. diazotrophicus PAL5产生的VOCs促进了A. thaliana幼苗的生长。这些VOCs引起了植物蛋白质组学的显著变化，激活了特定的反应并影响了生理机制，如光化学过程。

结论

这项研究揭示了G. diazotrophicus PAL5通过释放VOCs独立于内生定植来促进植物生长的能力。我们的发现表明，这些VOCs通过调节参与光合作用和叶绿素生物合成的关键蛋白质，增强了A. thaliana的光合作用和生物量积累。此外，我们的结果表明，乙烯信号通路（EIN2）参与了G. diazotrophicus产生的VOCs的促生长效应。

CRediT作者贡献声明

Wálaci da Silva Santos： 写作——审稿与编辑，研究。 Elaine Gimenez Guimar?es： 写作——审稿与编辑，验证。 Guilherme Juli?o Zocolo： 写作——审稿与编辑，方法学。 Vanildo Silveira： 写作——审稿与编辑，方法学。 Fabiano Silva Soares： 写作——初稿撰写，数据可视化，研究，数据分析，概念化。 Gon?alo Apolinário de Souza Filho： 写作——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。