真菌内生菌厚垣轮枝菌促进黑胡椒生长与防御的分子机制：转录组学与功能研究新见解

本研究针对黑胡椒(Piper nigrum L.)易受线虫侵害导致减产的问题，通过时空转录组分析和盆栽试验，系统解析了厚垣轮枝菌(Pochonia chlamydosporia)促进植物生长与诱导系统抗性的双重机制。研究发现该菌通过上调激素合成、养分转运及苯丙烷类代谢通路相关基因，显著改善宿主生长参数与抗逆性，为可持续农业提供了新型生物接种剂开发的理论依据。

　　

在全球香料作物种植中，黑胡椒(Piper nigrum L.)长期面临根结线虫和穿孔线虫的威胁，传统化学杀线虫剂带来的环境毒性问题日益凸显。这种"香料之王"的可持续生产遭遇瓶颈，迫使科学家寻找更环保的解决方案。此时，一种名为厚垣轮枝菌(Pochonia chlamydosporia)的多面手真菌进入研究视野——它既能捕食线虫卵，又能与植物形成互利共生关系，这种"一菌双效"的特性使其成为生物防治的理想候选者。然而，这种真菌如何与多年生香料作物互作的分子机制始终是个黑箱，特别是在全球最重要的胡椒生产国印度，这个问题直接关系到数百万农户的生计。

印度香料研究委员会(ICAR-Indian Institute of Spices Research)的科学家们决定揭开这个谜题。他们选择当地主栽品种Sreekara的黑胡椒扦插苗，采用时空转录组学这一利器，在接种后14天和28天两个关键时间点捕捉真菌与植物的"分子对话"。通过高通量RNA测序技术，研究人员成功绘制出20多万条转录本的动态变化图谱，其中6.5万多个差异表达基因(DEGs)如同密码本，记录着这场隐秘的共生谈判。为验证这些分子发现，团队还设计了系统的盆栽试验，测量植物生长参数、养分含量等表型特征，确保实验室数据能真正转化为田间效益。

关键技术方法包括：从ICAR-IISR菌种保藏中心获取P. chlamydosporia var. chlamydosporia (MTCC5412)菌株；采用Illumina平台进行双时间点(14/28 dpi)转录组测序；通过qRT-PCR验证关键基因表达；测定吲哚乙酸(IAA)产量、溶磷/锌指数等体外促生特性；在温室控制条件下进行盆栽验证实验。

【真菌菌株与植物材料】研究使用的MTCC5412菌株展现出全面的植物促生特性：能合成植物激素IAA，溶解难溶性磷酸盐和锌，分泌铁载体和氨，还具备淀粉酶、纤维素酶和果胶酶活性，这些"技能"为其在根际定殖和功能发挥奠定基础。

【体外植物促生特性评价】定量分析显示，该菌株的溶磷指数达2.7，溶锌指数2.4，IAA产量达到显著水平。这种多功能的代谢特征解释为何其在后续实验中能显著促进黑胡椒生长。

【转录组学分析】在14 dpi时，植物激素信号转导相关基因如茉莉酸(JA)和乙烯(ET)通路成员显著激活；到28 dpi，养分转运蛋白基因和苯丙烷类代谢通路基因成为主导。这种时序性调控模式揭示真菌先帮助植物"强身健体"，再增强其"免疫力"的智能策略。

【qRT-PCR验证】选取12个关键DEGs进行验证，包括生长素响应因子ARF、水通道蛋白PIP等，其表达趋势与测序数据高度一致，证实转录组结果的可靠性。

【盆栽试验验证】接种组植株的株高、生物量、叶片数等指标显著优于对照，根部真菌定殖率与植物生长参数呈正相关，实现分子机制与表型改善的完美衔接。

这项研究首次系统阐明P. chlamydosporia与黑胡椒互作的分子对话机制。时间序列分析揭示，真菌采用"先营养后防御"的分阶段策略：早期通过上调生长素和细胞分裂素相关基因促进宿主生长；后期激活JA/ET信号和苯丙烷代谢增强抗性。特别值得注意的是水通道蛋白基因的持续高表达，这可能是改善水分利用效率的关键。这些发现不仅为开发新型生物接种剂提供靶点，更建立了解析真菌-植物互作的研究范式。

从应用角度看，该菌株展现的溶磷、产IAA等特性可直接转化为肥料利用率提升，而诱导的系统抗性可减少农药使用。对于年产值数十亿美元的黑胡椒产业，这种"绿色方案"既能稳定产量，又能突破国际贸易中的农药残留壁垒。研究团队特别指出，下一步将重点优化菌剂配方和施用方式，加速实验室成果向田间转化。正如论文通讯作者Santhosh Joseph Eapen强调的："理解微生物与作物的分子对话，是开启可持续农业之门的金钥匙。"这项发表在《Rhizosphere》的工作，正是用前沿科学解决实际问题的典范。