土壤来源、淹水胁迫与虫害互作调控番茄挥发性有机物排放及根际微生物群落的重构机制

本研究探讨了土壤来源、淹水胁迫与烟草天蛾(Manduca sexta)虫害互作对番茄(Solanum lycopersicum)地上部挥发性有机物(VOCs)排放及根际细菌/真菌群落的影响。通过温室控制实验结合SPME-GC/MS和16S rRNA/ITS2测序技术，发现淹水是VOCs排放的主要驱动因素，而土壤特性（铁、锰、铵态氮）显著影响VOCs组成；根际微生物群落则主要由土壤来源决定。该研究为气候变化背景下作物多重胁迫响应机制提供了新见解。

　　

在气候变化加剧的背景下，植物面临着日益频繁的复合胁迫挑战。番茄作为全球重要的经济作物，常遭受淹水和虫害的双重威胁。传统研究多聚焦单一胁迫响应，而对土壤环境-非生物胁迫-生物胁迫三者互作如何影响植物"求救策略"（cry for help）的认识仍存在重大空白。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的研究团队在《Plant and Soil》发表的研究，首次系统揭示了土壤来源、淹水和虫害互作对番茄地上-地下防御网络的协同调控机制。

研究采用四类不同来源土壤（建筑工地表土、有机胡萝卜/番茄种植土、苹果木改良土）培育番茄品种"Cherokee Purple"，设置淹水（±）、烟草天蛾虫害（±）双因素实验。通过固相微萃取-气相色谱质谱（SPME-GC/MS）分析VOCs，结合16S rRNA和ITS2高通量测序解析根际微生物组，同步测定土壤理化参数和植株生长指标。

主要技术方法：

1. 多源土壤控制实验（Top_Soil/Sola_C/Sola_T/HW_S）

2. 固相微萃取结合GC-MS鉴定18种VOCs（含单萜/倍半萜/绿叶挥发物）

3. Illumina NovaSeq 6000平台进行16S rRNA（V4区）和ITS2扩增子测序

4. 土壤理化性质全分析（Mehlich III提取法测定11种元素）

5. 基于DESeq2的差异微生物类群分析

研究结果

地上部变化：VOCs排放与植物生长

淹水及其与虫害的复合胁迫显著增加总VOCs排放量（

），其中铁（Fe）、锰（Mn）、铵态氮（NH₄⁺-N）与淹水响应型VOCs呈显著正相关（

）。检测到α-蒎烯、β-石竹烯等18种化合物，其排放模式受土壤来源×淹水互作调控（P<0.05）。淹水还导致植株生物量普遍下降，但不同土壤中下降幅度差异达30%。

地下部变化：土壤化学与微生物组

土壤来源解释62%细菌和35%真菌群落变异（

）。淹水使变形菌门（Proteobacteria）相对丰度增加2.5倍，而真菌中肉座菌目（Hypocreales）在虫害×淹水复合处理下特异性富集。土壤源番茄田（Sola_T）的根际微生物对复合胁迫表现出独特稳定性，其Pleosporales目真菌占比达40%。

结论与意义

该研究首次阐明：

1. 土壤元素（Fe/Mn/NH₄⁺-N）是调控植物气态防御信号的关键介质

2. 根际微生物组装配主要受土壤历史管理措施驱动，而非短期胁迫

3. 淹水在植物"地上-地下"互作中起主导作用，其效应强于虫害胁迫

   研究为设计基于土壤管理的作物抗逆策略提供了理论依据，特别是通过调控土壤铁锰循环来增强作物对气候变化的适应性。未来需结合宏基因组学进一步解析微生物功能冗余与植物抗性的分子对话机制。