《Plants》：Integrated Bioprocessing and Nanoencapsulation of Brewer’s Spent Grain Phenolic Compounds: A Sustainable Valorization Strategy
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不合理的施肥已导致不利的环境效应和食品安全问题。生物刺激素被广泛用于改善作物生长、产量和品质。然而，关于生物刺激素对植物年龄诱导衰老（age-triggered senescence）的影响——这一影响关系到作物后期产量与品质——鲜有报道。本研究根据植物不同生
不合理的施肥已导致不利的环境效应和食品安全问题。生物刺激素被广泛用于改善作物生长、产量和品质。然而，关于生物刺激素对植物年龄诱导衰老（age-triggered senescence）的影响——这一影响关系到作物后期产量与品质——鲜有报道。本研究根据植物不同生长阶段的营养需求调整施肥配方，并在无土栽培番茄中分别添加酵母提取物或微生物作为三种施肥处理，以山崎配方（Yamazaki formula）作为对照。结果表明，三种施肥处理均延缓了叶片衰老，并提升了番茄的产量和品质。研究人员利用RNA测序（RNA-seq）技术解析了潜在的调控机制。结果显示，三种施肥处理后叶片中的基因表达水平未发生改变。然而，根与叶之间的“MAPK signaling pathway—plant”和“Plant-hormone signal transduction”过程受到显著影响，涉及生长素（auxin）、赤霉素（gibberellin）、乙烯（ethylene）、茉莉酸（jasmonic acid）、细胞分裂素（cytokinin）、油菜素内酯（brassinosteroid）和水杨酸（salicylic acid）调控通路。此外，衰老相关的转录因子（transcription factors, TFs），包括WRKY、MYB和AP2-EREBP，在根与叶之间存在显著的差异表达。研究结果证实，三种施肥配方可提升番茄产量与品质，并表明根与叶衰老之间存在紧密关联。
研究背景与科学问题
全球人口增长对粮食安全提出了严峻挑战，预计到2050年，世界人口将达90亿，粮食需求将增加60%。绿色革命以来，大量合成农用化学品和化肥的使用虽然极大提高了农业生产力，但也带来了食品污染、环境恶化和抗药性等副作用。因此，开发既能保证蔬菜产量和品质又可持续的生产方式至关重要。合理施肥和使用生物刺激素被认为是两条有效途径。微生物作为一种重要的植物生物刺激素，已被证明可通过增加养分溶解度和建立土壤共生关系等方式促进植物生长、养分吸收和产量提升。然而，现有研究大多聚焦于微生物对植物生理指标和根际微生物环境的直接影响，较少系统探索微生物如何通过地上部和地下部的分子信号变化来调控植物衰老进程。番茄作为富含矿物质、维生素和抗氧化剂的全球性重要蔬菜作物，其无土栽培中常用的液体肥料和山崎配方存在优化空间。前期研究表明，适度减少氮磷钾总量可提高番茄产量和品质，而添加微生物也能提升商品果率。基于此，研究人员提出假设：根据不同生长阶段调整施肥配方，或在基础配方中添加酵母提取物或微生物，可能通过影响根-叶间的信号传导来延缓植物衰老，进而提升番茄产量和品质。
研究方法与技术路线
研究人员在中国山东省济南市芦清育苗有限公司的日光温室中进行试验，供试番茄品种为‘辽粉185’，采用商业‘芦清’基质进行无土栽培。设置四个实验组：对照组采用山崎配方；处理组T1根据番茄不同生长阶段调整氮磷钾配比；T2在山崎配方基础上添加酵母提取物；T3在山崎配方基础上添加微生物菌剂，其中主要菌种比例为侧孢短芽孢杆菌:枯草芽孢杆菌:胶冻样芽孢杆菌=7:2:1。在移植后30天开始处理，持续至140天。研究人员采集根、最上部节点叶、功能叶、果实及全株样品，测量地上部和根部干重、根系活力、产量及品质参数。同时，提取根和功能叶的总RNA，利用BGISEQ-500平台进行转录组测序，以Q值≤0.05且|log?(fold change)|≥1为标准筛选差异表达基因，并进行GO和KEGG富集分析。最后，选取8个转录因子基因通过实时荧光定量PCR验证转录组数据。
研究结果
主要农艺性状与生化分析
与对照组相比，T1、T2和T3处理的叶片在打顶期仍保持绿色，而对照组叶片明显黄化。地上部和根部干重、根系活力、产量及果实中可溶性固形物、维生素C、可溶性蛋白和番茄红素含量等参数在三个处理组中均高于对照组，其中T3处理效果最为显著，表明三种施肥处理均能延缓番茄植株衰老并提升产量与品质。
RNA-seq分析与差异表达基因鉴定
共构建24个样本文库进行测序，获得高质量数据。在叶片中，与对照组相比，T1、T2和T3处理分别只检测到309、35和13个差异表达基因，且无共同差异表达基因。而在根中，三个处理分别检测到651、389和388个差异表达基因，其中有62个共同差异表达基因，包括56个下调基因和6个上调基因。进一步比较根与叶之间的差异表达基因，发现共有7302个基因在四组间差异表达，其中770个差异表达基因为三个处理组所特有，包括270个在根中高表达的基因和498个在叶中高表达的基因。
差异表达基因的功能分类
GO富集分析显示，各类差异表达基因主要富集在细胞过程、代谢过程、细胞解剖实体、结合和催化活性等类别。KEGG通路分析表明，6个共同上调基因富集在萜类和多酮化合物代谢及碳水化合物代谢通路；56个共同下调基因富集在植物-病原互作、MAPK信号通路-植物和磷脂酰肌醇信号系统等信号转导通路；270个根中高表达基因和498个叶中高表达基因均显著富集在MAPK信号通路-植物和植物激素信号转导通路。
参与信号转导的差异表达基因
在56个共同下调基因中，有8个基因参与信号转导通路，其中6个富集于MAPK信号通路-植物。在270个根中高表达基因中，19个基因参与信号转导，包括11个富集于MAPK信号通路-植物和6个富集于植物激素信号转导通路，涉及生长素、赤霉素、乙烯和茉莉酸调控通路。在498个叶中高表达基因中，35个基因参与信号转导，包括13个富集于MAPK信号通路-植物和15个富集于植物激素信号转导通路，涉及生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯、油菜素内酯、茉莉酸和水杨酸调控通路。值得注意的是，这些基因中共编码9个bHLH、8个WRKY、4个G2-like、2个GRAS、2个SBP、1个AP2-EREBP和1个SRS转录因子，其表达模式在根与叶之间存在显著差异。
转录组数据的qRT-PCR验证
研究人员选取8个具有不同表达模式的转录因子基因进行qRT-PCR验证，结果支持了RNA-seq的表达模式。
讨论与结论
研究人员认为，三种施肥处理延缓番茄叶片黄化、提升产量和品质的关键原因在于延迟了植物衰老。由于叶片中差异表达基因极少，而根中差异表达基因较多，且根-叶间的信号转导通路显著富集，研究人员推断并非施肥直接作用于叶片，而是通过根与叶之间的信号传递来实现衰老延缓。特别是植物激素信号转导通路中，生长素、赤霉素、乙烯和茉莉酸通路相关基因在根中高表达，而生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯、油菜素内酯、茉莉酸和水杨酸通路相关基因在叶中高表达，表明根与叶衰老过程中激素信号存在差异且可能存在关联。此外，MAPK信号通路-植物相关基因在处理组根中表达下调，暗示根系防御系统的激活被延迟或衰老信号的释放被推迟。WRKY、MYB、AP2-EREBP等已知的叶片衰老调控转录因子在处理组中显著下调，进一步支持了衰老延缓的结论。
研究结论：三种施肥处理并未直接改变叶片中的基因表达水平，但显著影响了根与叶之间的信号转导过程。根与叶衰老之间的关联比以往认知更为密切，研究结果为调控根与叶衰老提供了新的见解。
