来自芽孢杆菌的挥发性十五烷通过激活基于还原作用的铁吸收系统来缓解植物的缺铁症状

《Plant Biotechnology Journal》：The Volatile Pentadecane From Bacillus Alleviates Plant Iron Deficiency Through Activating the Reduction-Based Fe Uptake System

铁吸收促进与挥发性有机物机制研究。通过分析枯草芽孢杆菌SQR9的挥发性有机物（VOCs）对拟南芥铁营养的影响，发现SQR9 VOCs通过诱导NO信号激活Fe还原吸收相关基因（FIT, IRT1, FRO2），其中正十五烷作为关键活性成分，在128.3-513.2 ng/L范围内显著提升植物Fe吸收效率及生物量。

　　铁元素是植物生长和发育过程中不可或缺的微量营养元素，其在植物生理代谢中扮演着至关重要的角色。在现代农业中，铁缺乏是影响作物产量和品质的重要因素之一。特别是在碱性或钙质土壤中，铁的溶解度较低，导致植物难以有效吸收利用，从而引发叶片黄化、生长受限以及可食用部分铁含量下降等问题。为了应对这一挑战，科学家们正在探索更加可持续和环保的方法，以提高植物对铁的吸收能力。本研究聚焦于一种植物促生根际细菌（PGPR）——Bacillus velezensis SQR9，发现其挥发性有机化合物（VOCs）在铁缺乏条件下显著促进植物对铁的吸收，并揭示了其作用机制。

### 铁缺乏对植物的影响与PGPR的作用

植物在铁缺乏环境下会启动一系列生理和分子机制来应对这一挑战。其中，非禾本科植物如拟南芥，主要依赖“策略I”——通过根系分泌质子，利用H⁺-ATPase 2（AHA2）来增加根际铁的可溶性，随后由FERRIC REDUCTION OXIDASE 2（FRO2）将Fe³⁺还原为Fe²⁺，并通过IRON-REGULATED TRANSPORTER 1（IRT1）将Fe²⁺运输至植物体内。然而，这些机制在碱性土壤中往往不够高效，因此需要借助外部手段，如化学螯合剂或微生物辅助，以提高植物的铁吸收能力。

近年来，植物促生根际细菌（PGPR）因其在促进植物生长、增强抗逆性和改善营养状况方面的潜力而受到广泛关注。这些细菌通过多种途径帮助植物吸收铁，包括分泌铁载体（siderophores）以提高铁的可溶性，或通过释放挥发性有机化合物（VOCs）影响植物的生理反应。本研究的重点在于探讨Bacillus velezensis SQR9的VOCs在铁缺乏条件下的作用机制，特别是其如何激活植物的铁吸收系统，并通过识别关键活性成分，为作物铁富集提供新的思路。

### Bacillus velezensis SQR9 VOCs对植物铁吸收的促进作用

研究团队采用双室培养皿系统，将Bacillus velezensis SQR9与拟南芥幼苗分别置于两个独立的培养室中，仅通过气相进行相互作用，避免了物理接触。结果显示，在铁缺乏条件下，暴露于SQR9 VOCs的拟南芥幼苗表现出显著的生长优势，特别是叶片颜色更绿，叶绿素含量、活性铁含量和鲜重均明显高于对照组。同时，根系发育也得到了改善，主根长度、侧根数量和密度分别提高了80.9%、397.1%和176.7%。值得注意的是，SQR9 VOCs在正常铁条件下对植物的生长促进作用并不显著，这表明其作用主要发生在铁缺乏环境下。

进一步的实验表明，SQR9 VOCs不仅促进铁吸收，还对其他营养元素如氮、锰和锌的吸收具有一定的影响。其中，氮转运基因（如NRT2.1）的表达显著上调，这可能与SQR9 VOCs对氮代谢的调控有关。然而，铁的富集效果更为显著，且与NO信号通路密切相关。研究发现，SQR9 VOCs显著提升了拟南芥根系中NO的积累，而NO的减少则完全抑制了这种促进作用。这说明NO信号在SQR9 VOCs介导的铁吸收过程中起着关键作用。

### 识别SQR9 VOCs中的关键活性成分

为了进一步明确SQR9 VOCs中具体哪种成分具有促进铁吸收的作用，研究团队对SQR9释放的23种VOCs进行了筛选，并评估了其中11种常见化合物对植物铁吸收的影响。结果表明，这些化合物在不同浓度下对植物铁吸收具有不同的作用效果，其中五十四烷（pentadecane）在实验条件下表现出最显著的促进作用。通过调整浓度范围，研究团队确定了五十四烷的有效工作浓度区间为128.3至513.2 ng·L^?1。这一发现不仅为理解SQR9 VOCs的作用机制提供了重要线索，也为后续的生物技术应用奠定了基础。

此外，五十四烷对植物的铁吸收具有显著的促进作用，其作用机制可能涉及NO信号的激活。实验显示，五十四烷处理后，拟南芥根系中NO的积累明显增加，同时IRT1和FRO2等关键铁吸收相关基因的表达水平也显著上调。这些结果支持了五十四烷通过激活NO信号，进而增强植物铁吸收能力的假设。相比之下，其他VOCs如二十一烷酮（2-undecanone）对铁吸收的影响不显著，这表明五十四烷在SQR9 VOCs中具有独特的作用机制。

### 植物铁吸收机制与NO信号的关联

NO在植物营养吸收和应激反应中扮演着重要角色，特别是在铁缺乏条件下，其能够调控与铁吸收相关的基因表达。本研究中，通过抑制NO的积累（使用NO清除剂PTIO），发现SQR9 VOCs对植物铁吸收的促进作用被显著削弱，这表明NO信号是SQR9 VOCs介导铁吸收的关键媒介。然而，进一步的实验表明，SQR9本身并不直接产生大量的NO，而是通过其VOCs刺激植物内部NO的合成。这说明SQR9 VOCs的作用机制可能依赖于植物对NO的响应，而非直接依赖于细菌自身的NO合成能力。

NO的合成与调控涉及多种基因和代谢途径，其中NIA1和NIA2等硝酸还原酶基因的表达在SQR9 VOCs处理下显著增强。这些基因的上调可能与NO的生成有关，从而进一步激活铁吸收相关基因的表达。此外，NO还能通过抑制蛋白酶体对FIT等转录因子的降解，提高其稳定性，进而促进IRT1和FRO2等基因的表达，最终增强铁吸收能力。

### 植物铁吸收与生长调控的复杂性

植物铁吸收不仅依赖于特定的基因表达，还涉及复杂的信号网络。除了NO信号外，植物激素如生长素、乙烯、脱落酸和赤霉素也参与调控铁缺乏响应。例如，生长素的积累可能通过促进根系发育和铁转运蛋白的表达，间接增强铁吸收。本研究中，SQR9 VOCs被发现能够增强拟南芥根系的生长素响应，这可能与其对铁吸收的促进作用存在某种关联。

然而，铁吸收和植物生长之间的关系并非单一。研究发现，某些基因如FIT、IRT1和FRO2在SQR9 VOCs处理下表现出更强的表达，但其对植物生长的促进效果存在差异。这可能与这些基因在不同植物组织中的表达模式有关，也可能受到其他信号通路的调控。因此，铁吸收的增强可能不仅仅是通过单一基因的激活，而是多个信号通路协同作用的结果。

### 研究的意义与未来方向

本研究揭示了Bacillus velezensis SQR9 VOCs在促进植物铁吸收中的作用机制，特别是其通过激活NO信号来增强铁吸收相关基因的表达。这一发现不仅拓展了我们对PGPR VOCs在作物铁富集中的理解，也为未来在农业上应用此类微生物提供了理论支持。特别是在铁缺乏土壤中，利用SQR9或其VOCs作为生物肥料，可能成为一种更加环保和可持续的解决方案。

此外，研究还指出，五十四烷作为SQR9 VOCs中的关键成分，其在铁富集中的作用具有显著的剂量依赖性。这一发现为后续的生物技术应用提供了方向，例如通过基因工程手段增强五十四烷的合成，或利用其作为植物生长促进剂，进一步提高作物的铁含量和生长性能。未来的研究可以聚焦于五十四烷的合成机制，以及其在不同环境条件下的稳定性与有效性，从而推动其在实际农业生产中的应用。

### 实验方法与数据支持

为了验证上述发现，研究团队采用了一系列实验方法，包括双室培养皿系统、RNA测序、实时荧光定量PCR（RT-qPCR）、微X射线荧光光谱分析、NO积累检测和VOCs的化学分析等。这些方法为研究提供了全面的数据支持，确保了研究结果的可靠性。例如，通过微X射线荧光光谱分析，研究人员能够直观地观察到SQR9 VOCs对植物体内铁分布的影响，从而进一步验证其对铁吸收的促进作用。

在实验设计上，研究团队特别注意排除其他可能的干扰因素，如CO₂的积累。通过使用CO₂清除系统，确保了SQR9 VOCs的作用主要来自于其挥发性成分，而非CO₂等其他气体。这一严谨的实验设计为后续研究奠定了基础，也使得研究结果更具说服力。

### 结论

综上所述，本研究揭示了Bacillus velezensis SQR9 VOCs在铁缺乏条件下促进植物铁吸收的机制，其中NO信号在这一过程中起到了关键作用。通过识别五十四烷作为关键活性成分，研究团队不仅加深了对PGPR VOCs功能的理解，还为铁富集技术的发展提供了新的方向。未来的研究可以进一步探索五十四烷的合成机制，以及其在不同作物和环境条件下的应用潜力。同时，结合其他植物激素和信号通路，有望开发出更加高效的铁富集策略，以应对全球范围内铁缺乏土壤对农业生产带来的挑战。