植物病原真菌链格孢Z84挥发性有机物调控拟南芥与烟草生长的多组学机制研究

《Microorganisms》：Urbanization-Induced Shifts in Microbial Functional Genes of Wetland Nitrogen Cycling Promote Nitrous Oxide (N2O) Emissions Xinyu Yi, Yuwen Lin, Yinghe Peng, Yan Liu, Chen Ning, Junjie Lei, Ling Wang, Chan Chen, Linshi Wu and Juyang Liao

本研究首次从乌鸦果中分离出植物病原真菌链格孢菌（Alternaria alstroemeriae）Z84，系统探究了其释放的挥发性有机物（VOCs）对拟南芥（A. thaliana）和本氏烟草（N. benthamiana）的促生长效应。研究表明，Z84 VOCs可显著提升植物的多项表型指标（如根长、叶面积、生物量和叶绿素含量），且效应在移除VOCs后仍可持续。通过转录组学、代谢组学与植物激素谱分析，揭示了Z84 VOCs通过重塑拟南芥的转录组和代谢组，显著调控植物-病原体互作、植物激素信号转导（特别是水杨酸SA和赤霉素GAs的上调）、光合作用及氨基酸代谢等多条通路，从而平衡植物的生长与防御权衡。该研究为理解植物-病原真菌互作机制提供了新视角，并为开发基于真菌VOCs的可持续农业促生策略提供了重要微生物资源和理论依据。

　　

1. 引言

全球粮食安全是联合国可持续发展目标的核心，而人口增长、气候变化及化肥农药的过度使用对粮食生产和环境构成了严峻挑战。在此背景下，开发环境友好的绿色生物肥料，特别是利用植物促生微生物（PGPMs）及其代谢产物，已成为可持续农业的重要方向。挥发性有机物（VOCs）作为微生物与植物互作的关键信号分子，在调控植物生长和抗逆性方面展现出巨大潜力。然而，对植物病原真菌来源的VOCs的促生长作用及其机制研究仍不充分。本研究聚焦于从乌鸦果（Vaccinium dunalianum）中首次分离的植物病原真菌链格孢菌（Alternaria alstroemeriae）Z84，旨在系统探究其VOCs对模式植物拟南芥（A. thaliana）和本氏烟草（N. benthamiana）的促生长效应，并利用多组学技术解析其分子机制。

2. 材料与方法

研究采用分区共培养系统，将真菌Z84与植物幼苗物理隔离但气体互通，以评估其VOCs的作用。通过表型分析、叶绿素含量测定、转录组测序（RNA-Seq）、代谢组学（UPLC-MS/MS）及植物激素靶向定量等方法，系统比较了处理组与对照组的差异。菌株Z84通过形态学观察和基于ITS序列的系统发育分析进行鉴定。其释放的VOCs成分则采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术（HS-SPME-GC-MS）进行鉴定。

3. 结果

3.1. 菌株Z84的VOCs促进拟南芥和本氏烟草幼苗生长

在分区共培养14天后，暴露于Z84 VOCs的拟南芥幼苗整体生长显著优于对照组。具体而言，处理组拟南芥的主根长度、侧根数量和叶面积分别增加了67.93%、200%和72.17%。地上部生物量也显著增加，干重和鲜重分别提升了282.95%和374.19%。同时，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别增加了44.59%、35%和42.48%，表明其光能吸收和利用能力增强。

Z84 VOCs对本氏烟草也表现出显著的促生长效果。处理组本氏烟草的主根长度、侧根数量、叶面积、干重和鲜重均显著增加，叶绿素含量也显著提升。

3.2. Z84 VOCs的促生长效应具有可持续性

即使在移除Z84 VOCs后，处理组拟南芥和本氏烟草的植株仍持续表现出生长优势，包括更高的生物量、更多的角果和种子、以及持续较高的叶绿素含量。这表明Z84 VOCs诱导的促生长效应并非短暂刺激，而是能够引发植物内源性的、持续的生理重编程。

3.3. 菌株Z84的鉴定及其VOCs成分分析

结合形态特征（菌落呈棉绒状，正面灰白色至橄榄色，背面深棕色至黑色）和基于ITS序列的系统发育分析，菌株Z84被鉴定为链格孢菌（Alternaria alstroemeriae）。

VOCs成分分析显示，Z84释放的VOCs以萜类化合物为主，其中(-)-thujopsene和(+)-beta-cedrene是两种主要成分，分别占总相对含量的84.65%和15.35%。

3.4. 拟南芥响应Z84 VOCs的转录组学分析

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-病原体互作、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通路。值得注意的是，在植物-病原体互作和植物激素信号转导通路中，大量与防御相关的基因（如编码钙调蛋白类似蛋白的CML41、CML47，以及编码病程相关蛋白PR-1的基因At2g14610）显著上调。相反，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）则显著下调，反映了植物在响应Z84 VOCs时采取了典型的“生长-防御权衡”策略，将资源从可能冗余的光合作用相关基因表达重新分配到生长和防御反应中。

3.5. Z84 VOCs对拟南芥内源植物激素的影响

植物激素靶向定量分析显示，Z84 VOCs处理显著重塑了拟南芥的激素稳态。多种植物激素含量显著上调，其中水杨酸（SA）上调了7.59倍，赤霉素A₃（GA₃）、GA₄和GA₇分别上调了3.62倍、1.74倍和1.50倍。此外，脱落酸（ABA）、1-萘乙酸（1-NAA）、反式玉米素核苷等激素含量也显著增加。然而，生长素（IAA）和反式玉米素的含量分别下调了1.7倍和1.22倍。这种激素谱的复杂变化表明，Z84 VOCs并非简单地全面促进生长激素，而是精细调控了不同激素的平衡，以协同优化植物的生长与防御响应。

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富集分析表明，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氨基酸代谢相关通路。大多数氨基酸（如L-赖氨酸、L-蛋氨酸、脯氨酸）含量下调，可能反映了其被高效利用于生物量合成。而氧化型谷胱甘肽的下调则暗示Z84 VOCs处理可能改善了植物体内的氧化还原平衡，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 alstroemeriaeZ84所释放的VOCs具有显著的、可持续的植物促生长活性，拓展了对链格孢菌属功能多样性的认知。其促生机制涉及多层次的复杂调控：

1. 1.
   激活防御与平衡资源：Z84 VOCs强烈激活了植物-病原体互作通路和SA信号通路，诱导了系统抗性。为平衡防御投入与生长需求，植物下调了光合作用-天线蛋白等通路的基因表达，将资源重新分配到生物量积累和防御相关过程，体现了优化的生长-防御权衡。
2. 2.
   精细调控激素网络：Z84 VOCs并非单向提升所有生长激素，而是对激素网络进行重塑。SA的显著上调与系统抗性相关，而多种赤霉素（GAs）和细胞分裂素衍生物的上调直接驱动细胞伸长和分裂。IAA和反式玉米素的下调，可能与优化根构型（如促进侧根发生）及降低过度生长信号转导的代谢成本有关，从而协同促进整体生长。
3. 3.
   主要活性成分推测：鉴定出的主要VOCs成分(+)-beta-cedrene和(-)-thujopsene均属于萜类化合物，该类物质已被报道在植物-微生物互作中扮演关键信号角色，可能是Z84 VOCs发挥功能的核心物质。
4. 4.
   诱导持续效应：即使在移除