酵母Papiliotrema laurentii通过调节氧化状态、LEA基因和脂肪酸分配缓解玉米干旱胁迫的机制研究

推荐：本研究针对干旱胁迫严重影响玉米生长的问题，探究了酵母Papiliotrema laurentii CCY 17-3-24作为生物刺激剂的潜力。通过不同浓度(106-109 cells ml-1)处理玉米种子，发现107 cells ml-1浓度显著改善干旱条件下植株生长（茎干重增加21.6%），降低H2O2浓度46.1%，并调控LEA基因表达和脂肪酸分配。研究揭示了该酵母通过提供脂肪酸而非激素调节或脯氨酸积累来增强玉米抗旱性的新机制，为微生物生物刺激剂开发提供理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为限制农作物生长和产量的主要非生物胁迫因素。玉米作为全球重要的粮食作物，其生长过程对水分胁迫极为敏感。干旱会破坏土壤水分平衡，影响植物吸水能力，导致光合作用和CO₂同化等生理过程受损，同时增加活性氧(ROS)的产生。面对这一挑战，开发新型生物刺激剂来增强作物抗旱性成为研究热点。

传统解决方案如遗传改良和化学调控存在周期长或环境风险等问题，而微生物生物刺激剂因其环境友好特性备受关注。其中，酵母因其广泛存在性和多功能性显示出独特优势。Papiliotrema laurentii（原Cryptococcus laurentii）是一种多栖酵母，能够利用多种碳源，产生表面活性剂、酶和脂质，并具有生物防治植物病原真菌的潜力。然而，关于其对植物抗旱性的影响机制尚不清楚，特别是其与植物干旱响应关键因子——胚胎发育晚期丰富蛋白(LEA)基因和植物激素的相互作用缺乏系统研究。

针对这一科学空白，斯洛伐克科学院化学研究所的Marko Bajus等研究人员在《Current Plant Biology》发表论文，首次系统评估了P. laurentii对干旱胁迫下玉米生长的改善作用及其分子机制。研究团队设计了一套完整的实验方案：通过种子浸泡和萌发阶段施加不同浓度(10⁶-10⁹ cells ml^-1)的酵母悬浮液，在控制水分条件下（正常浇水70%田间持水量vs干旱35%）培养玉米21天，综合运用生长参数测定、氧化应激指标检测、实时定量PCR、激素ELISA分析等技术，全面解析了酵母处理对玉米抗旱性的影响。

主要技术方法

研究采用标准化的酵母培养方法制备悬浮液，通过种子浸泡处理建立实验体系。使用分光光度法测定H₂O₂和丙二醛(MDA)浓度评估氧化损伤；硫代巴比妥酸法测定脂质过氧化；酸性茚三酮法检测脯氨酸含量；竞争性ELISA定量生长素(IAA)和脱落酸(ABA)水平；硫磷香草醛法分析脂肪酸含量；通过RNA提取、反转录和实时定量PCR(qPCR)分析13个LEA基因表达模式，以TUBβ和EF1α作为内参基因。

3.1 筛选最有效酵母浓度

干旱使玉米茎长减少16.6%，鲜重和干重分别降低34.6%和24.6%。10⁷ cells ml^-1酵母处理显著改善干旱条件下的生长参数，茎干重增加21.6%，第三叶面积提高23.6%，而正常水分条件下酵母处理无显著影响。这一浓度被选为后续实验标准。

3.2 相对含水量

干旱处理使叶片相对含水量降低10.4%，而酵母处理(DRO-Y)使其回升4.9%，表明酵母改善了植株水分状况。

3.3 过氧化氢浓度

干旱使根和叶中H₂O₂分别增加128.3%和36.9%。酵母处理使根部H₂O₂降低46.1%，但在正常条件下，叶部H₂O₂反而增加41.6%，可能与代谢活性增强有关。

3.4 丙二醛浓度

根部MDA在干旱下增加83.6%，酵母处理使其降低20.2%。叶部则呈现相反趋势，酵母处理使MDA增加102.4%，研究者认为这可能反映了代谢重组而非氧化损伤。

3.5 选定基因表达

热图分析显示，干旱上调了全部13个根部LEA基因和9个叶部LEA基因。酵母处理使这些基因在干旱条件下普遍下调，与ABA减少一致。聚类分析发现LEA12、LEA18、LEA20和Zm00001d050863在根叶中均共表达，可能与水分结合和膜稳定性有关。

3.6 IAA和ABA浓度

干旱使IAA浓度在根和叶分别降低21.2%和20.8%，酵母处理使其回升约19%。ABA在干旱下根叶分别增加53.9%和120.5%，酵母处理使其显著降低。基因表达与ABA水平呈强正相关（Pearson系数0.62-0.97），表明酵母可能通过降低ABA信号减轻LEA基因激活需求。

3.7 脯氨酸浓度

干旱使根叶脯氨酸含量激增12.6倍和4.7倍，酵母处理使其显著降低（根63.8%，叶20.2%），排除了酵母通过提供脯氨酸起作用的可能性。

3.8 脂肪酸浓度

最显著的发现是酵母处理使根中脂肪酸含量在干旱下增加205.3%，正常条件下也增加189.6%。结合该酵母的产油特性，研究者认为其可能通过提供脂肪酸增强膜流动性，而非通过激素或脯氨酸途径发挥作用。

这项研究首次系统阐明了P. laurentii作为生物刺激剂缓解玉米干旱胁迫的多层次机制。与传统认知不同，该酵母的作用主要与其产油特性相关，通过提高根部脂肪酸含量（而非调节激素或脯氨酸）来增强膜稳定性，进而改善水分状况和生长性能。研究创新性地揭示了微生物-植物互作中脂肪酸分配的关键作用，为开发基于酵母的生物刺激剂提供了新思路。

从应用角度看，10⁷ cells ml^-1的优化浓度具有实际推广价值，其仅在干旱条件下发挥作用的特性也减少了不必要的使用。未来研究可深入解析酵母源性脂肪酸的具体成分及其在植物体内的代谢命运，并评估不同土壤类型和气候条件下的效果稳定性。这项成果不仅为应对气候变化下的农业挑战提供了新工具，也为理解微生物-植物互作机制开辟了新视角。