异戊二烯作为植物免疫短程信号分子的野外证据及其在植物防御网络中的作用

这篇研究通过两年野外实验，首次证实了异戊二烯（isoprene）在自然条件下作为植物间免疫信号分子的功能。利用转基因银桦（Betula pendula）和拟南芥（Arabidopsis thaliana）突变体，揭示了异戊二烯通过LLP1依赖的SAR（系统获得性抗性）途径增强邻近植物对Pseudomonas syringae的抗性，独立于茉莉酸（JA）信号通路。研究为植物挥发性有机化合物（BVOC）的生态功能提供了新见解。

　　

ABSTRACT

异戊二烯作为大气中最丰富的生物源碳氢化合物，其通过非生物胁迫保护光合作用的机制已被广泛研究。然而，其在自然条件下作为植物间免疫信号分子的作用尚不明确。本研究通过转基因银桦与拟南芥的野外共培养体系，首次证实异戊二烯可通过LLP1依赖的SAR途径增强邻近植物对病原菌的抗性，且该过程独立于JA信号通路。

1 Introduction

植物挥发性有机化合物（BVOC）在生态互作中扮演多重角色，其中异戊二烯（C₅）占全球BVOC碳通量的50%（约500 Tg year^?1）。尽管实验室研究显示其可诱导免疫，但自然条件下的信号功能仍存争议。本研究利用异戊二烯合成增强的转基因银桦（Berti? et al. 2023）与拟南芥突变体（llp1/jar1），在复杂环境场中验证其免疫调控作用。

2 Materials and Methods

2.1 实验材料

选用4年生转基因银桦（高异戊二烯排放系03/06/12）和拟南芥（Col-0野生型及llp1、jar1突变体）。病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000接种浓度为10⁵ CFU mL^?1。

2.2 暴露实验

拟南芥置于银桦三角形种植区中心（间距50 cm），84小时暴露后检测细菌生长抑制率（图1）。2023年增设环境空气对照组。

2.3 VOC分析

采用TD-GC-MS定量异戊二烯、单萜（C₁₀）和倍半萜（C₁₅）排放，OPLS-DA模型区分基因型特征。

3 Results

3.1 银桦排放谱

转基因系12的异戊二烯排放量最高（2022年较WT高3倍），单萜排放呈负相关（图2）。2023年温度升高导致所有系排放量增加，但基因型差异仍显著（p < 0.05）。

3.2 免疫诱导效应

高异戊二烯排放系（03/12）使野生型拟南芥的细菌生长抑制率达40-50%（图3a-b）。相关性分析显示异戊二烯排放与抑制率显著正相关（R2=0.7881, p=0.0032），而单/倍半萜无此关联（图4）。

3.3 突变体响应

llp1突变体完全丧失响应能力（图3c-d），jar1突变体保留部分效应（R2=0.4908），证实异戊二烯通过LLP1依赖的SA途径起效，独立于JA通路。

4 Discussion

研究揭示了异戊二烯在自然混合VOC背景下的免疫信号功能。其作用机制可能涉及：

1. 1.

   代谢权衡：MEP途径中异戊二烯与单萜的碳分配竞争（Ghirardo et al. 2014）

2. 2.

   信号感知：氧化产物MVK/MACR可能激活SAR（Canaval et al. 2020）

3. 3.

   生态意义：在北极苔原等密集植被中，短程信号（<50 cm）可能增强群落抗性

未来需结合多组学技术解析异戊二烯受体机制，并优化城市绿化中高/低排放树种的空间配置以平衡生态效益与空气质量。