有益土壤真菌通过启动抗草食化合物积累增强番茄对潜叶蛾的诱导抗性

《Journal of Pest Science》：Beneficial soil fungi induce resistance to the tomato leaf miner Tuta absoluta through primed accumulation of antiherbivory compounds

本刊推荐一项关于微生物诱导抗性(Microbe-IR)机制的重要研究。为解决番茄潜叶蛾(Tuta absoluta)防治难题，研究人员探讨了有益土壤真菌(AMF和Trichoderma)如何通过启动防御机制增强番茄抗虫性。研究发现根系定殖真菌能重编程植物次生代谢，诱导阿魏酰腐胺(feruloylputrescine)和壬二酸(azelaic acid)等抗虫化合物的启动积累，为农业害虫综合治理(IPM)提供了新策略。

　　

在全球番茄生产中，一种名为番茄潜叶蛾(Tuta absoluta)的入侵性害虫正造成严重威胁。这种害虫的幼虫会钻食番茄的叶片、茎秆和果实，导致作物损失高达80%-100%。目前主要依赖化学农药进行防治，但害虫抗药性的快速出现严重影响了防治效果，同时农药对非靶标有益昆虫的负面影响也不容忽视。虽然综合害虫管理(IPM)策略通过结合生物防治、害虫监测和信息素干扰等方法显著减少了对化学药剂的依赖，但寻找更加可持续的防治手段仍是当务之急。

近年来，科学家们发现土壤中的有益微生物可以通过刺激植物防御系统来诱导植物产生广谱抗性，这种现象被称为微生物诱导抗性(Microbe-IR)。植物根际的有益微生物如芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、木霉菌属(Trichoderma)和丛枝菌根真菌(AMF)等，都被证明能够触发植物对多种病虫害的诱导抗性。特别值得注意的是，研究人员最近发现某些AMF和木霉菌菌株在商业化生产条件下，即使是在已经实施了IPM措施的农艺管理中，仍然能够有效降低番茄潜叶蛾的自然发生率。然而，微生物诱导抗性在田间条件下的作用机制尚不完全清楚，这限制了其在农业生产中的广泛应用。

为了深入探究微生物诱导抗性对抗番茄潜叶蛾的分子机制，西班牙格拉纳达EEZ-CSIC土壤与植物微生物学系的Zhivko Minchev和Beatriz Ramírez-Serrano等研究人员开展了一项创新性研究。他们假设根系有益真菌能够通过重编程植物直接防御机制来增强番茄对潜叶蛾的抗性，特别是通过启动抗草食化合物的代谢积累。该研究结果发表在《Journal of Pest Science》上，为理解微生物-植物-昆虫三重互作提供了新的见解。

研究人员主要运用了几项关键技术方法：通过离体叶片和整体植株生物测定评估微生物接种对潜叶蛾发育的影响；利用非靶向代谢组学(LC-ESI全扫描质谱)分析叶片代谢物变化；通过qPCR和显微镜检查确认微生物定殖；以及通过外源施用纯化合物验证特定代谢物的抗虫活性。实验采用番茄栽培品种"Money maker"，在受控和半受控条件下进行，接种处理包括摩西管柄霉(Funneliformis mosseae)、不规则根孢菌(Rhizophagus irregularis)、非洲哈茨木霉(Trichoderma afroharzianum)等真菌。

微生物诱导抗性在不同实验设置中保持稳定

研究发现，三种真菌接种剂(F. mosseae、R. irregularis和T. afroharzianum)在不同实验条件下都能一致地增强番茄对潜叶蛾的抗性。在半受控条件下的整体植株生物测定中，真菌接种显著降低了潜叶蛾幼虫发育为成虫的百分比，其中F. mosseae和T. afroharzianum的效果最为显著，分别减少了83%和70%。在离体叶片生物测定中，这两种真菌处理也使幼虫达到成虫阶段的比例降低了38%。这些结果与在实际农业生产条件下观察到的防治效果一致，证明了真菌接种剂在增强植物直接防御方面的稳定性和有效性。

微生物诱导抗性与对番茄潜叶蛾的差异代谢重编程相关

非靶向代谢组学分析揭示了接种真菌的植物叶片在受到潜叶蛾攻击48小时后发生了显著的代谢重编程。层次聚类分析将样本首先分为非菌根和菌根处理两大组，表明菌根共生对植物代谢组有显著影响。在非菌根组内，植物根据是否接种木霉菌进一步细分，而菌根组内植物则主要根据是否遭受虫害进行聚类，说明虫害对代谢组的影响超过了不同菌根菌种的特异性。

差异积累代谢物与潜叶蛾表现相关

研究人员发现85个色谱信号与昆虫表现显著相关，其中56个与潜叶蛾成虫出现负相关，29个正相关。这些信号可分为三个主要簇：C1簇包含可能对潜叶蛾有益的代谢物，这些代谢物在抗性植物中积累较少；C2和C3簇包含可能对害虫有害的代谢物，其中C3簇显示出典型的启动积累特征，即在微生物接种的植物中响应虫害过度积累。

通路富集分析显示，C1簇中的代谢物主要涉及辅因子和维生素代谢、氨基酸和碳水化合物代谢，这些成分对植食性昆虫的营养至关重要。而C3簇中的代谢物主要参与苯丙烷代谢和氨基酸代谢，这些通路在植物防御反应中发挥关键作用。

具有潜在抗草食活性代谢物的鉴定

通过精确质量和碎片谱分析，研究人员成功鉴定出几个已知防御相关化合物在C3簇中显示启动积累。其中包括壬二酸(Azelaic acid, AZA)、香豆酸(p-coumaric acid, CA)和绿原醌(Chlorogenoquinone, ChQ)。特别值得注意的是，阿魏酰腐胺(Feruloylputrescine, FP)在菌根植物中响应潜叶蛾攻击显示出明显的启动积累，这与先前在咀嚼式昆虫斜纹夜蛾(Spodoptera exigua)研究中的发现一致。

启动代谢物对番茄潜叶蛾表现出抗草食活性

功能分析证实，外源施用AZA和FP可显著抑制潜叶蛾的发育，使幼虫达到成虫阶段的百分比分别降低37%和29%，而CA单独处理没有明显效果。三种化合物的混合处理(MIX)效果与单一化合物相似，未表现出协同或叠加效应。这些结果验证了在微生物诱导抗性植物中启动积累的化合物确实具有抗草食活性。

本研究系统阐明了有益土壤真菌通过启动植物防御代谢增强番茄对潜叶蛾抗性的分子机制。研究证明，根系定殖真菌如F. mosseae、R. irregularis和T. afroharzianum能够重编程植物次生代谢，诱导抗草食化合物如AZA和FP的启动积累，从而直接抑制害虫发育。这些发现不仅揭示了微生物-植物-昆虫互作的新机制，还为开发基于微生物诱导抗性的可持续害虫管理策略提供了理论依据。

该研究的创新性在于发现了微生物诱导抗性对抗专性潜叶害虫的代谢基础，并鉴定出AZA和FP作为潜在的防御启动生物标志物。这些化合物在不同昆虫体系(咀嚼式和潜叶式)和不同诱导微生物(AMF和木霉菌)中的保守性表明，它们可能构成番茄中微生物诱导抗性的共同代谢指纹。研究结果为将微生物诱导抗性整合到现有IPM计划中提供了科学基础，为减少化学农药依赖、实现农业可持续发展开辟了新途径。

未来研究需要在不同番茄基因型、环境条件和农艺管理下验证这种微生物诱导抗性的稳定性和有效性，以充分发挥其在作物保护中的潜力。同时，这些发现也为筛选高效诱导抗性微生物和开发基于植物免疫启动的新型植保产品提供了重要参考。