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为探究黄顶菊（Cyclachaena xanthiifolia）化感入侵机制，研究人员通过代谢组和转录组分析其不同提取物的化感作用及生理生化指标变化。发现正丁醇相提取物（NE）显著抑制芥菜种子萌发，干扰 ABA/GA 激素平衡等，揭示 ABA 信号通路的关键作用，为入侵防控提供理论依据。
在生态系统中，外来入侵植物正成为威胁生物多样性与农业生产的重要因素。黄顶菊作为一种恶性入侵杂草，其通过化感作用抑制周边植物生长，导致作物减产和生态失衡。然而，学界对其化感作用的分子机制知之甚少，尤其是化感物质如何影响受体植物的代谢通路和激素平衡仍不明确。为填补这一研究空白，东北农业大学等机构的研究人员开展了相关研究，旨在从生理和分子层面揭示黄顶菊化感作用的关键机制，该研究成果发表在《BMC Plant Biology》。
研究人员以黄顶菊叶片为材料，采用系统溶剂法提取不同组分（石油醚相 PE、乙酸乙酯相 EE、正丁醇相 NE 和水相 WE），并以芥菜（Brassica juncea）为受体植物，综合运用气相色谱 - 质谱联用（GC-MS）、转录组测序（RNA-Seq）、广泛靶向代谢组分析（UPLC-MS/MS）及实时荧光定量 PCR（qRT-PCR）等技术，分析各组分的化感活性、生理指标变化及相关基因和代谢物的表达模式。
不同溶剂提取物的化感活性差异
通过 GC-MS 分析发现，PE、EE 和 NE 中含有多种具有化感潜力的化合物，如脂肪酸（亚麻酸、十六烷酸）、萜类（植物醇）、酯类（邻苯二甲酸二丁酯、己二酸二辛酯）、醛类（2 - 乙基己醛）等，而 WE 中未检测到化感物质。生物测定表明，NE 对芥菜种子萌发的抑制作用最强，其发芽率和发芽势分别较对照组降低 60% 和 64.67%，化感效应指数（|RI|）达 225.66，显著高于其他组分。形态学观察显示，NE 处理组种子吸水受阻，胚轴伸长停滞，表明其抑制作用发生在萌发初期。
NE 对生理指标与激素平衡的影响
进一步研究发现，NE 处理显著改变了芥菜种子的内源激素平衡。脱落酸（ABA）含量在处理 18 小时后较对照组升高 1.23 倍，而赤霉素（GA）含量呈波动下降趋势，二者的动态失衡可能通过拮抗作用抑制种子萌发。同时，抗氧化酶系统受到干扰：超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性在初期升高以清除活性氧（ROS），但长期处理后活性显著下降，导致丙二醛（MDA）积累，膜脂过氧化加剧。此外，α- 淀粉酶活性和可溶性糖（SS）含量降低，表明 NE 抑制了淀粉水解和能量代谢，进一步阻碍种子萌发。
转录组与代谢组联合分析揭示关键通路
转录组分析显示，NE 处理诱导了 1046 个差异表达基因（DEGs），其中上调基因富集于类胡萝卜素生物合成、内质网蛋白加工等通路，下调基因涉及糖酵解 / 糖异生、碳固定等初级代谢通路。代谢组检测到 121 个上调和 35 个下调的差异代谢物（DEMs），主要涉及苯丙氨酸代谢、植物激素信号转导和类胡萝卜素生物合成。联合分析发现，类胡萝卜素生物合成通路是 ABA 合成的间接途径，NE 处理显著促进了该通路关键基因（如玉米黄质环氧化酶 ZEP、9 - 顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 NCED）的表达，导致 ABA 大量积累。qRT-PCR 验证了 7 个 ABA 相关基因的表达趋势，进一步支持了转录组数据的可靠性。
化感作用的分子机制与 ABA 信号通路的核心作用
综合生理和组学数据，研究提出黄顶菊化感作用的主要机制为：通过释放酯类、醛类等化感物质（如 NE 中的己二酸二辛酯、2 - 乙基 - 2 - 己烯醛），干扰受体植物的抗氧化酶系统，诱导氧化应激和膜损伤；同时，通过激活类胡萝卜素生物合成通路，上调 ABA 合成相关基因（ZEP、NCED）并抑制其降解基因（CYP707A1），导致 ABA 过度积累，打破 ABA/GA 激素平衡，最终抑制种子萌发和幼苗生长。ABA 信号通路在这一过程中起核心调控作用，其通过抑制 α- 淀粉酶活性和能量代谢，协同 ROS 介导的细胞损伤，实现对受体植物的化感抑制。
该研究首次系统整合了转录组和代谢组数据，揭示了黄顶菊化感作用中 ABA 信号通路与氧化应激的交互作用机制，为入侵植物的精准防控提供了新靶点（如 ABA 合成酶基因）和理论依据。未来可基于这些关键通路开发生物抑制剂，或通过调控受体植物的激素响应增强其抗性，为生态保护和农业可持续发展提供创新思路。研究结果不仅深化了对菊科植物化感入侵机制的认识，也为多组学技术在植物互作研究中的应用提供了范例。
