挥发性信号介导的树木-细菌-昆虫互作机制：急性橡树衰退病中的化学通讯解密

《Current Biology》：The role of volatile cues in mediating tree host-bacteria-insect interactions in acute oak decline

本研究针对急性橡树衰退病（AOD）中病原细菌与蛀干甲虫Agrilus biguttatus的协同致病机制，通过多学科手段揭示了树木系统诱导的叶片挥发物（(E)-caryophyllene等）和病原菌特异性挥发物（新型天然产物IPHK/IBHK）共同调控甲虫寄主定位的行为机制。研究发现怀卵雌虫对Brenneria goodwinii等AOD相关细菌挥发物具有显著趋向性，且细菌挥发物与树皮挥发物的协同作用进一步增强了这种行为偏好。该研究首次阐明了微生物挥发物在Agrilus属昆虫寄主选择中的关键作用，为开发基于化学信标的AOD监测技术提供了理论依据。

　　

在英国古老的橡树林中，一种名为急性橡树衰退病（AOD）的疾病正悄然蔓延，能在3-5年内导致树木死亡。这种疾病由Brenneria goodwinii、Gibbsiella quercinecans和Rahnella victoriana等细菌与蛀干甲虫Agrilus biguttatus共同作用形成复杂致病网络。当细菌在树干形成坏死病灶时，甲虫幼虫随之蛀食形成虫道，二者协同加速树木衰退。然而，成年甲虫如何精准定位患病树木？微生物是否通过化学信号参与这一过程？这些谜题成为理解AOD生态机制的关键。

为揭示这一化学通讯机制，Thomas等研究人员在《Current Biology》发表论文，通过整合分析化学、合成化学、昆虫电生理学和行为学实验，系统研究了橡树-细菌-甲虫三重互作中的挥发性有机化合物（VOC）调控机制。研究团队从英国六个地点的AOD症状树和无症状树采集叶片挥发物，利用四臂嗅觉仪测试甲虫行为反应，并通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）和核磁共振（NMR）技术鉴定细菌特异性挥发物结构。

关键技术方法

研究采用动态顶空采集法收集橡树叶片和细菌培养物的挥发物，通过气相色谱-触角电位联用（GC-EAG）筛选具有生物活性的化合物，利用四臂嗅觉仪评估甲虫行为偏好。细菌特异性挥发物通过半制备高效液相色谱（HPLC）分离，并经手性气相色谱确定对映体组成。研究还通过接种实验验证了细菌挥发物对产卵行为的影响。

Virgin A. biguttatus females prefer the odor of declining oak leaves

研究发现AOD症状树叶片释放的挥发物组成显著改变，其中(E)-caryophyllene、α-humulene、α-muurolene和δ-cadinene等萜烯类化合物含量显著升高。行为实验表明，处女雌虫对症状树叶片挥发物表现出明显偏好，当健康树叶片挥发物中加入上述三种衰退相关化合物的合成混合物后，这种偏好进一步增强。而雄虫对两种处理均无显著偏好，表明雌虫在寄主选择中更依赖化学信号。

Gravid A. biguttatus females orient toward AOD bacterial VOCs

针对怀卵雌虫（需在树干产卵）的行为测试发现，它们对三种AOD相关细菌的挥发物均表现出显著趋向性，且对三种细菌的10:1:1混合培养物挥发物的偏好最强。值得注意的是，非致病性附生菌Erwinia billingiae的挥发物同样能吸引怀卵雌虫，但细菌挥发物单独使用并不能诱导产卵行为，说明其作用主要是提供产卵位点定位线索而非直接刺激产卵。

A. biguttatus antennae detect AOD bacterial compounds

通过GC-EAG分析，研究人员发现怀卵雌虫触角对细菌挥发物中的三个峰位产生稳定电生理反应：2-苯乙醇（2-phenylethanol）为三种AOD细菌共有，而另外两个化合物（KI=1459和KI=1552）为B. goodwinii所特有。

B. goodwinii produces unique VOCs

经NMR和高分辨质谱分析，两个B. goodwinii特异性化合物被鉴定为新型天然产物3-羟基-4-甲基-1-苯基戊烷-2-酮（IPHK）和3-羟基-4-甲基-1-苯基己烷-2-酮（IBHK）。进一步研究发现，这两种化合物仅在B. goodwinii和引起桤木细菌性溃疡病的B. alni中产生，表明其具有属内特异性。

EAG-active compounds are responsible for beetle preference

行为验证实验表明，纯化的IPHK和IBHK混合物以及2-苯乙醇均能引起怀卵雌虫的显著偏好，且三者混合物的效果与10:1:1细菌混合培养物挥发物相当。更重要的是，当细菌挥发物与合成树皮挥发物（对伞花烃、1,8-桉叶素等）结合时，对怀卵雌虫的吸引力进一步增强，说明自然条件下甲虫可能利用多种化学信号的协同作用定位产卵位点。

研究结论与意义

该研究首次揭示了AOD系统中树木-细菌-昆虫通过挥发性信号建立的复杂互作网络。成年A. biguttatus雌虫利用衰退树木系统诱导的叶片挥发物进行远距离寄主定位，交配后则通过细菌特异性挥发物（如B. goodwinii产生的IPHK和IBHK）与树皮挥发物的协同作用精准定位产卵位点。这种化学通讯策略不仅解释了AOD病原菌与媒介昆虫的协同分布模式，也为开发基于半化学物质的AOD监测和治理技术提供了新靶点。

研究还提出了一个有趣的生态学现象：甲虫幼虫通过体表化学物质促进细菌增殖和毒力基因表达，而细菌产生的挥发物则引导成年雌虫选择适宜的产卵场所，这种正向反馈循环可能是AOD迅速蔓延的重要驱动力。这一发现为理解其他树木衰退病中多物种互作机制提供了新视角，对维护森林生态系统健康和生物多样性保护具有重要指导意义。