《Microorganisms》：Volatiles Released by the Endophytic Fungus Alternaria alstroemeriae from Vaccinium dunalianum Promote the Growth of Arabidopsis thaliana and Nicotiana benthamiana
Yueyun Zhang,
Wenhang Yin,
Boyu Wu,
Zhiyu Zhang,
Guolei Zhu,
Xiaoqin Yang,
Fanrui Zhou,
Imran Haider Shamsi,
Ping Zhao and
Lihua Zou
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本研究首次报道了从Vaccinium dunalianum中分离出的植物病原真菌Alternaria alstroemeriae Z84，其释放的挥发性有机物（VOCs）能显著促进拟南芥（Arabidopsis thaliana）和本氏烟草（Nicotiana benthamiana）的生长。研究通过转录组和代谢组学分析，揭示了Z84的VOCs通过调控植物-病原互作、植物激素信号转导、光合作用及氨基酸代谢等关键通路，重塑植物内源激素谱（如显著上调水杨酸（SA）、脱落酸（ABA）和赤霉素（GAs）），从而在促进生长的同时平衡防御反应，其促生效应在移除VOCs后仍可持续。这为利用病原真菌VOCs开发环境友好型绿色生物肥料提供了新的微生物资源和理论依据。
1. 引言
全球粮食安全面临人口增长、气候变化及化肥农药过度使用带来的土壤退化与环境污染等多重挑战，开发环境友好的可持续农业技术日益迫切。植物促生微生物（PGPMs）在促进植物生长、增强抗逆性方面扮演着关键角色。其中，微生物释放的挥发性有机物（VOCs）作为重要的信号分子，能够非接触式地显著调控植物生长，已成为可持续农业领域的研究热点。以往研究多集中于有益微生物的VOCs，而对植物病原真菌VOCs的促生功能及潜在价值研究不足。链格孢属（Alternaria）真菌分布广泛，常作为植物病原菌，同时也是生物活性代谢物的重要来源。然而，其挥发性成分是否具有促生作用尚不明确。
2. 材料与方法
本研究首次从云南省武定县的Vaccinium dunalianum中分离得到一株内生真菌Z84，经形态学和基于ITS序列的分子系统发育分析，将其鉴定为Alternaria alstroemeriae。研究采用带垂直隔板的分区培养皿共培养系统，将真菌与模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）和本氏烟草（Nicotiana benthamiana）幼苗进行非接触式共培养，以研究Z84所释放VOCs对植物生长的影响。通过表型分析、叶绿素含量测定、盆栽实验评估促生效应的持续性。利用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术（HS-SPME-GC-MS）鉴定Z84释放的VOCs成分。对经Z84 VOCs处理的拟南芥幼苗进行转录组测序和代谢组学（UPLC-MS/MS）分析，以阐明其促生作用的分子机制。
3. 结果
3.1. Z84菌株产生的VOCs促进拟南芥和本氏烟草幼苗生长
分区共培养实验表明，Z84菌株释放的VOCs能显著促进两种植物的生长。在拟南芥中，与对照组相比，处理组的主根长度、侧根数和叶面积分别增加了67.93%、200%和72.17%；地上部鲜重和干重分别显著增加了374.19%和282.95%；叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量也分别提升了44.59%、35%和42.48%。在本氏烟草中也观察到类似的促生效应，主根长度、侧根数、叶面积、鲜重和干重均显著增加，叶绿素含量也大幅提升。
3.2. Z84菌株VOCs具有持续的促生效应
盆栽实验表明，即使在移除Z84 VOCs暴露后，处理组的拟南芥和本氏烟草仍保持显著的生长优势，表现为更早开花、更多角果、更高的结实率以及持续较高的叶绿素含量。这说明Z84 VOCs诱导了植物内在的、可持续的生理重编程。
3.3. Z84菌株VOCs的鉴定与菌株表征
HS-SPME-GC-MS分析表明，Z84释放的VOCs中以萜类化合物为主，其中(-)-thujopsene和(+)-beta-cedrene是主要成分，分别占总相对含量的84.65%和15.35%。菌落形态观察显示，Z84在PSA培养基上呈圆形，初期灰白色至橄榄色，后期颜色加深至暗橄榄褐色。基于ITS序列构建的系统发育树表明，Z84与Alternaria alstroemeriae strain CBS118809聚为一支，从而将其鉴定为A. alstroemeriae。
3.4. Z84 VOCs处理下拟南芥的转录组分析
转录组测序结果显示，Z84 VOCs处理显著改变了拟南芥的基因表达谱。共鉴定出1401个差异表达基因（DEGs），其中629个上调，772个下调。KEGG通路富集分析表明，这些DEGs主要富集在光合作用-天线蛋白、植物-病原互作、谷胱甘肽代谢、植物激素信号转导、类黄酮生物合成和光合作用等相关通路。植物-病原互作和植物激素信号转导通路中包含的DEGs数量最多。在植物-病原互作通路中，编码钙调蛋白类似蛋白的CML41和CML47等基因显著上调。在植物激素信号转导通路中，编码A型反应调节蛋白的ARR6、ARR7、ARR15等基因显著上调。值得注意的是，光合作用-天线蛋白和光合作用通路中的大部分基因（如LHCB2.4、PSAD2等）显著下调，这反映了植物在响应Z84 VOCs时采取了生长-防御权衡策略，将资源从冗余的光合作用相关基因表达重新分配至生物量积累和防御反应。
3.5. Z84 VOCs处理对拟南芥内源植物激素的影响
代谢组学分析发现，Z84 VOCs处理显著重塑了拟南芥的激素谱。多种植物激素含量显著上调：水杨酸（SA）含量上调了7.59倍，脱落酸（ABA）上调1.68倍，赤霉素A3（GA3）、GA4和GA7分别上调3.62倍、1.74倍和1.50倍。同时，细胞分裂素类物质如反式玉米素核苷、异戊烯腺苷等含量也显著增加。然而，生长素（IAA）和反式玉米素的含量则显著下调，分别降低了1.7倍和1.22倍。这种激素谱的精细调控，特别是SA和GAs的显著积累与IAA的适度下调，协同优化了植物的生长（如促进侧根发育）与防御响应之间的平衡。
3.6. Z84 VOCs诱导拟南芥代谢组重编程
代谢组学分析共鉴定出45个差异表达代谢物（DEMs），其中8个上调，37个下调。KEGG通路富集分析显示，DEMs显著富集在D-氨基酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等通路。大多数氨基酸（如L-赖氨酸、L-蛋氨酸、脯氨酸等）含量显著下调，这可能反映了它们被高效地用于生物量积累（如蛋白质合成）。氧化型谷胱甘肽含量的下调，表明Z84 VOCs处理可能改善了植物的氧化还原平衡，减轻了氧化应激。
4. 讨论
本研究首次揭示了植物病原真菌Alternaria alstroemeriae Z84释放的VOCs具有显著且可持续的植物促生功能，拓展了该属真菌的功能多样性。其主要VOCs成分为萜类化合物(-)-thujopsene和(+)-beta-cedrene，它们可能是其促生活性的关键物质。转录组和代谢组学数据共同阐明，Z84 VOCs通过激活植物-病原互作和植物激素信号转导通路（特别是大幅上调SA和GAs），同时适度下调IAA，精细调控植物的激素网络。这使得植物能够在增强免疫防御能力（通过SA途径）的同时，重新分配资源，优先保证GA等驱动的细胞伸长与分裂，从而表现出优化的生长-防御权衡。光合作用相关基因的下调可视为避免光氧化损伤的负反馈调节，而高叶绿素含量得以维持高效的光合作用。氨基酸代谢物的大量下调则提示碳氮资源被导向旺盛的生长合成代谢。这些多层次的生理和分子重编程，共同解释了所观察到的持续促生表型。
5. 结论
从Vaccinium dunalianu
