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【编辑推荐】为探明南方菟丝子（Cuscuta australis）抑制刺苍耳（Xanthium spinosum）生长繁殖的机制，研究人员通过转录组与代谢组联合分析，发现其通过影响苯丙烷生物合成、半乳糖代谢和自噬通路抑制宿主，为开发靶向农药奠定理论基础。
刺苍耳（Xanthium spinosum）作为全球危害最严重的入侵植物之一，其带刺总苞易借助人和动物传播，已在中国宁夏、安徽等地广泛蔓延，对当地生态系统和农业生产造成严重威胁。化学防治虽短期有效但易污染环境，生物防治中的真菌病原体和昆虫控制效果却不理想。因此，探寻环境友好型的生物防控手段迫在眉睫。南方菟丝子（Cuscuta australis）作为一种寄生性被子植物，此前研究发现其能通过吸收宿主养分抑制生长，但具体代谢变化和基因调控机制尚不明确。宁夏大学和中国农业科学院植物保护研究所的研究人员针对这一科学问题展开研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》。
研究人员以宁夏银川市西夏区马场路的刺苍耳种群为研究对象，设置南方菟丝子寄生（ZC 组）和未寄生（NO 组）的对照样地，每组设 3 个重复（20×30 m）。在盛果期（2023 年 9 月 5 日）采集茎样本，运用转录组测序（RNA-seq）、非靶向代谢组分析、抗氧化酶活性测定（超氧化物歧化酶 SOD、过氧化物酶 POD、过氧化氢酶 CAT）及实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）等技术，解析寄生胁迫下宿主的分子响应机制。
1. 形态与生理变化
与未寄生植株相比，南方菟丝子寄生使刺苍耳株高降低 33.3%、茎粗减少 7.75%、叶片数减少 53.3%，种子数量锐减 92.07%，显示出对繁殖能力的显著抑制。寄生茎中 POD 和 SOD 酶活性显著升高，CAT 活性增加 20.51%，表明宿主抗氧化防御系统被激活以应对胁迫。
2. 代谢组学分析
通过非靶向代谢组检测到 6628 种代谢物，主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）显示寄生组与对照组代谢谱明显分离。筛选出 658 个差异代谢物（DAMs），主要涉及脂质、有机含氧化合物和苯丙烷类。KEGG 富集分析表明，甘油磷脂代谢、苯丙烷生物合成、半乳糖代谢等通路显著改变。其中，苯丙烷生物合成通路中关键底物反式 - 2 - 羟基肉桂酸和对香豆酰奎尼酸积累，但木质素合成相关代谢物（如芥子醛、芥子醇）含量下降，暗示木质素合成受抑。
3. 转录组学分析
转录组测序共鉴定出 25,758 个差异表达基因（DEGs），GO 富集显示细胞外区域、植物型次生细胞壁生物发生等功能显著富集。KEGG 分析表明，苯丙烷生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、MAPK 信号通路等 14 条通路富集。其中，苯丙烷通路中多数木质素合成相关基因（如 CCR、CAD）表达下调，而 PAL 基因呈现复杂的表达模式（部分上调、部分下调）。半乳糖代谢通路中，α- 半乳糖苷酶（galA）、己糖激酶（HK）等基因上调，导致 UDP - 半乳糖减少，肌醇和塔格糖积累。自噬通路中所有相关基因（ATGs）均上调，伴随磷脂酰乙醇胺（PE）含量下降 47.03%。
4. 多组学联合分析
联合分析揭示南方菟丝子通过三条核心通路抑制刺苍耳：①苯丙烷生物合成通路：抑制木质素合成关键酶 CCR 和 CAD 的基因表达，减少木质素前体积累，削弱植物机械支撑和防御能力；②半乳糖代谢通路：上调 HK、pgm 等基因，干扰糖代谢平衡，导致肌醇和塔格糖异常积累，抑制能量代谢；③自噬通路：激活 ATG 基因引发过度自噬，消耗细胞资源，加速宿主衰老。 Pearson 相关分析显示，这些代谢物和基因与刺苍耳的叶数、种子数等表型呈显著正相关，进一步验证了通路的调控作用。
本研究首次通过多组学整合，系统揭示了南方菟丝子抑制刺苍耳的分子机制，证实其通过干扰苯丙烷生物合成、半乳糖代谢和自噬通路，实现对宿主生长和繁殖的多重抑制。研究结果不仅填补了寄生植物与入侵植物互作机制的认知空白，更为开发靶向生物农药提供了关键靶点，如利用 RNA 干扰（RNAi）技术沉默刺苍耳的 CCR、HK 或 ATG 基因，有望实现对入侵种群的精准控制。此外，该研究为评估寄生植物在生物防治中的应用潜力提供了理论依据，为解决入侵植物引发的生态和经济问题开辟了新方向。
