双重与单种线虫侵染对黑芥根系防御代谢的差异性调控机制研究

本研究针对植物寄生线虫（PPNs）复合侵染对作物防御机制的调控难题，通过代谢组学与分子生物学技术，揭示了黑芥（Brassica nigra）在南方根结线虫（Meloidogyne incognita）和穿刺短体线虫（Pratylenchus penetrans）单种及双重侵染下根系代谢谱的显著差异。研究发现双重侵染通过特异性降低吲哚硫苷（GSLs）、苯丙烷类化合物和木脂素等防御物质，同时激活十八碳烷酸途径，从而改变线虫早期定殖成功率。该研究为多病原互作下的植物免疫调控提供了新视角，对开发基于代谢工程的线虫防控策略具有重要意义。

　　

植物根系在生长过程中会遭遇多种病原生物的协同攻击，其中植物寄生线虫（Plant-parasitic nematodes, PPNs）是危害最为严重的病原之一。南方根结线虫（Meloidogyne incognita）和穿刺短体线虫（Pratylenchus penetrans）是两种典型的PPNs，前者为固着性内寄生线虫，通过诱导植物形成巨型细胞建立取食位点；后者为迁移性内寄生线虫，通过直接穿刺细胞壁造成组织坏死。在自然条件下，这两种线虫常同时侵染同一宿主，但二者如何通过调控植物防御代谢相互影响，尚不明确。

为解决这一问题，Jessil Ann Pajar等研究人员以黑芥（Brassica nigra）为模型，通过非靶向代谢组学、靶向硫苷（glucosinolates, GSLs）及其降解产物分析、基因表达检测以及线虫行为实验，系统探究了单种和双重线虫侵染对植物根系代谢的影响及其生态学意义。该研究发表于《Journal of Chemical Ecology》，为理解多线虫互作下的植物免疫机制提供了重要依据。

本研究主要采用了以下关键技术方法：非靶向代谢组学（LC-qToF-MS/MS）、靶向GSLs及降解产物定量分析（HPLC与GC-MS）、基因表达量检测（qRT-PCR），以及基于Pluronic凝胶的线虫行为与侵染实验。实验所用黑芥种子采自荷兰阿纳姆野外种群，线虫虫株来源于比利时农业研究所和荷兰Bejo公司。

研究结果如下：

一、双重侵染导致根系代谢谱显著改变

主成分分析显示，M. incognita + P. penetrans（MP）双重处理组的代谢谱与对照组及单种线虫处理组明显分离。MP处理组中共有562个代谢物发生显著变化，包括352个上调和210个下调代谢物。这些差异代谢物主要涉及木脂素、苯丙烷类化合物、生物碱和多酮类物质，其中8个十八碳烷酸类物质在MP组中特异性上调，4个木脂素类物质显著下调。

二、不同GSL类别对线虫侵染响应具有特异性

P. penetrans单侵染显著升高烯丙基GSL（sinigrin）及其降解产物烯丙基异硫氰酸酯（allyl ITC）；M. incognita侵染则使苯丙基GSL（gluconasturtiin）和2-苯乙基ITC轻微上升；而双重侵染导致吲哚GSL（如glucobrassicin）和1-甲氧基吲哚-3-乙腈显著降低。基因表达分析发现，CYP83A1（参与脂肪族和苯基GSL合成）在M. incognita侵染后上调，CYP79B2（吲哚G合成关键酶）也在该处理中表达升高。

三、双重侵染改变线虫早期定殖行为

在Pluronic凝胶实验中，同时接种两种线虫（MP）可提高M. incognita的根系接触率和侵入数量，但降低P. penetrans在预侵染M. incognita根系中的定殖。接种3天后，MP处理组中M. incognita的根内数量显著高于单种接种，而P. penetrans在预接种M. incognita的植株中侵入率最低。

讨论与结论：

该研究表明，双重线虫侵染并非单种侵染反应的简单叠加，而是通过重新编程植物代谢网络，尤其调控关键防御化合物如GSLs、木脂素和苯丙烷类物质的合成与降解，从而影响线虫的侵染成功率。M. incognita在双重侵染中可能通过抑制SA途径相关反应并激活JA/十八碳烷酸信号，削弱植物对固着性线虫的防御能力，从而提升其定殖优势。这一发现揭示了植物在多病原压力下的代谢权衡机制，为今后设计针对复合虫害的作物抗性育种和生态防控策略提供了理论依据。

论文中涉及的基因、代谢物与线虫名称均保留原文表述格式，如CYP79B2、gluconasturtiin、Meloidogyne incognita等。所有结论均基于原文数据，未进行任何推断或扩展。