根际细菌通过激活大麦防御与营养响应动态抑制蚜虫种群

本研究揭示了根际细菌（Rhizobacteria）通过调控大麦（Hordeum vulgare）的苯丙烷（phenylpropanoid）、谷胱甘肽（glutathione）和植物激素（phytohormone）通路，动态抑制蚜虫（Sitobion avenae）种群。结合时间序列转录组分析（RNA-seq）和基因共表达网络（WGCNA），发现细菌接种（Acidovorax radicis/Bacillus subtilis）通过诱导防御（JA/ET信号）和营养（糖代谢）双重机制，实现“植物疫苗”效应，为农业害虫防控提供新策略。

　　

摘要

根际细菌（Rhizobacteria）对植物-昆虫互作的调控机制尚不明确。本研究通过接种两种根际细菌（Acidovorax radicis N35和Bacillus subtilis B171）至大麦根系，结合蚜虫（Sitobion avenae）侵染实验与时间序列转录组分析（24 h、7 d、21 d），揭示了微生物通过动态调控防御与营养通路抑制蚜虫种群的核心机制。

材料与方法

实验设计采用完全随机区组，比较接种与未接种大麦在蚜虫侵染后的表型（蚜虫数量、植株生长）和基因表达差异（Illumina NovaSeq 6000测序）。通过KEGG和WGCNA分析差异基因模块，聚焦苯丙烷代谢（PAL、CAD、CCR等基因）、谷胱甘肽（GST）及植物激素（JA/ET相关基因）通路。

结果

1. 蚜虫种群抑制：两种根菌均显著降低蚜虫数量（7 d: P=0.018；21 d: P=0.028），且早期促进植株生长（24 h: P=0.001）。
2. 转录组动态：
   • 24 h：根菌抑制苯丙烷通路（如PAL下调），但激活植物激素（JA合成酶、ET受体）和花生四烯酸代谢。
   • 7 d：蚜虫单独诱导苯丙烷和糖代谢（己糖激酶、UDP-葡萄糖脱氢酶），而根菌接种增强该响应。
   • 21 d：黄酮（flavonoid）合成基因（如UDP-葡萄糖醛酸转移酶）上调，与蚜虫密度正相关。
3. 共表达模块：
   • 模块“brown”（24 h）富集JA/ET信号和光合作用基因，体现生长-防御权衡。
   • 模块“turquoise”（7 d）关联氨基糖代谢，暗示营养重组。

讨论

根菌通过“双阶段”机制发挥作用：早期（24 h）抑制防御以促进生长，后期（7-21 d）通过苯丙烷和黄酮类化合物（如sinapyl alcohol dehydrogenase）增强抗性。值得注意的是，谷胱甘肽通路（GST）的priming效应仅在蚜虫高密度时激活，表明微生物调控具有生态情境依赖性。与既往研究对比，A. radicis可能依赖AHL信号分子，而B. subtilis则通过JA/SA途径诱导系统抗性（ISR）。

应用前景

该研究为开发基于根际微生物的“绿色疫苗”提供了分子靶点（如CCR、GST），未来可通过工程菌株优化苯丙烷代谢流，兼顾作物抗虫性与产量。