内生芽孢杆菌Bacillus safensis通过调控褪黑素合成增强鹰嘴豆抗旱性的分子机制

本研究针对干旱胁迫严重影响鹰嘴豆产量的问题，通过内生菌Bacillus safensis COBR7接种实验，揭示了该菌株通过上调ASMT/COMT/TDC等褪黑素(Melatonin)合成基因表达，促进干旱条件下褪黑素积累，从而增强植物抗旱性的协同机制。研究结合GC-MS代谢组学和qRT-PCR技术，首次阐明细菌-植物互作通过544个保守基因簇(含SOD、ACC deaminase等)协同调控褪黑素合成通路的分子基础，为开发微生物菌剂提高作物抗旱性提供新策略。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为威胁农业生产的首要非生物胁迫因素。作为全球第二大食用豆类，鹰嘴豆(Cicer arietinum L.)在干旱条件下产量损失高达60%，严重影响着全球15.08万吨的年产量。传统育种和转基因技术虽能部分提高作物抗旱性，但存在周期长、成本高等局限。近年来，植物内生菌通过调控宿主生理代谢增强抗逆性的发现，为可持续农业发展提供了新思路。其中，褪黑素(Melatonin)作为一种古老的多功能分子，在植物应对干旱胁迫中扮演着核心角色——既能清除活性氧(ROS)，又能调节气孔开闭和光合作用。然而，关于微生物如何调控植物褪黑素合成通路的关键基因表达，进而增强抗旱性的分子机制仍不清楚。

为解决这一科学问题，库尔德斯坦大学农业学院的研究团队在《BMC Plant Biology》发表了开创性研究。该研究以抗旱型(Samin)和干旱敏感型(ILC3279)鹰嘴豆为材料，接种内生菌Bacillus safensis COBR7后，通过设置对照、中度干旱(-5 bar)和重度干旱(-8 bar)三种处理，综合运用GC-MS代谢组学、实时定量PCR(qRT-PCR)和比较基因组学等技术，系统揭示了微生物-植物互作通过褪黑素合成通路增强抗旱性的分子机制。

关键技术方法包括：(1)采用GC-MS检测植物和细菌中褪黑素含量；(2)通过同源比对从鹰嘴豆基因组鉴定出4个TDC(Tryptophan decarboxylase)、2个SNAT(Serotonin N-acetyltransferase)、7个COMT(Caffeic acid O-methyltransferase)和1个ASMT(N-acetylserotonin O-methyltransferase)基因；(3)qRT-PCR分析这些基因在不同处理下的表达模式；(4)OrthoVenn2比较基因组分析揭示鹰嘴豆与B. safensis的544个保守基因簇。

代谢分析

GC-MS结果显示，干旱胁迫使两种鹰嘴豆的褪黑素含量显著增加，其中敏感品种增幅更明显。内生菌接种进一步放大了这种效应，在重度干旱下，接种组褪黑素含量比未接种组高2.3倍。代谢组热图分析发现，干旱条件下糖类(果糖、岩藻糖)和氨基酸(脯氨酸、精氨酸)显著积累，而TCA循环中间体(苹果酸、柠檬酸)减少。内生菌接种特异性地提高了天冬氨酸、异亮氨酸等应激相关代谢物水平。

基因表达分析

qRT-PCR揭示了关键基因的差异化调控：(1)ASMT和SNAT在抗旱品种中表达更高，而COMT和TDC在敏感品种中更活跃；(2)重度干旱下，ASMT、COMT和TDC表达量达峰值，其中接种组的ASMT表达量比对照高5.8倍；(3)SNAT表达在中度干旱时最高，暗示其在早期应激响应中的特殊作用。方差分析表明，品种×干旱×接种的三重互作对SNAT和TDC表达具有极显著影响(P<0.01)。

比较基因组分析

OrthoVenn2鉴定出544个鹰嘴豆与B. safensis共有的保守基因簇，包括：(1)抗氧化酶基因(SOD、CAT)；(2)ACC deaminase(降低乙烯前体)；(3)色氨酸合成酶基因(trpA/B/S)。这些共享基因簇揭示了微生物可能通过提供色氨酸前体或调控植物应激信号来激活褪黑素合成通路。

该研究首次阐明B. safensis COBR7通过三重机制增强鹰嘴豆抗旱性：(1)直接合成褪黑素；(2)上调宿主ASMT/COMT/TDC等限速酶基因表达；(3)通过保守的SOD、ACC deaminase等基因簇协同缓解氧化损伤。这一发现不仅深化了对植物-微生物互作分子机制的理解，更重要的是为开发基于褪黑素合成调控的微生物菌剂提供了理论依据。相比传统育种和转基因技术，这种微生物接种策略具有成本低、环境友好、见效快等优势，尤其适合在干旱频发的半干旱地区推广。未来研究可进一步解析细菌源性褪黑素在植物体内的信号转导途径，以及544个保守基因簇中其他候选基因的功能，为设计更高效的抗旱微生物组合奠定基础。