《Plant, Cell & Environment》：Rhizobacterial Modulation of Maize Defense Alters Herbivore Performance and Parasitoid Behavior
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植物与有益土壤微生物之间的关联能够深刻影响地上部的营养级互作，然而这些效应往往具有情境依赖性。尽管植物促生根际细菌（PGPR）在玉米生产中日益普及，但关于这些微生物如何影响玉米对植食性昆虫及其天敌的防御，目前知之甚少。本研究探究了PGPR巴西固氮螺菌（Azos
植物与有益土壤微生物之间的关联能够深刻影响地上部的营养级互作，然而这些效应往往具有情境依赖性。尽管植物促生根际细菌（PGPR）在玉米生产中日益普及，但关于这些微生物如何影响玉米对植食性昆虫及其天敌的防御，目前知之甚少。本研究探究了PGPR巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）Ab-V5对玉米与草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）及其幼虫寄生蜂（Aleiodes ceres）互作的影响。研究结果发现，接种该PGPR增加了根长和叶片磷（P）浓度，这与S. frugiperda幼虫和蛹体重增加以及发育时间缩短相吻合。挥发物分析揭示了与A. brasilense接种相关的玉米挥发物谱变化，包括吲哚（indole）、TMTT和β-石竹烯（β-caryophyllene）释放的改变。与这些变化一致，A. ceres雌蜂优先被接种植株释放的挥发物所吸引。综上，研究结果表明，尽管A. brasilense接种改善了植物营养，但也可能增强植食性害虫的表现，同时强化了植物介导的间接防御。这些发现凸显了微生物接种所产生的生态学相关权衡，并强调PGPR效应在不同营养级之间存在差异。
论文解读
一、研究背景与科学问题
农业正处于全球气候变化、生物多样性丧失和粮食安全讨论的前沿。向更可持续经济转型的需求日益增长，促使人们关注能够减少化学投入且不损害粮食安全的生物解决方案。在此背景下，有益植物相关微生物，包括植物促生根际细菌（PGPR），近年来受到广泛关注。这些土壤微生物能够通过改善养分和水分吸收来促进植物生长和发育，还能通过增强植物对植食性昆虫的防御、提高对气候相关胁迫的韧性来提供生理和生态效益。
已有研究表明，土壤微生物可改变植物挥发性有机化合物（VOCs）的释放，进而影响植物与传粉者和天敌的互作。然而，这类效应的方向并不一致：有的研究发现接种微生物的未受损植物释放的绿叶挥发物水平与机械损伤或虫害损伤植物相当，可能改变天敌可利用的线索；另一些研究则报道PGPR接种对番茄植物上泛化捕食者的招募产生负面影响。微生物介导的植物营养变化对植食性昆虫的影响同样存在矛盾结果——有的研究发现与微生物关联的玉米生物量积累更大、草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）取食损伤更高且与磷含量增加相关；另一些研究则报道微生物关联玉米上草地贪夜蛾表现下降，伴随氮含量变化。
尽管PGPR巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）是谷物生产中应用最广泛的生物肥料之一，可替代高达25%的合成氮肥，但该菌是否影响玉米对S. frugiperda的防御仍属未知。S. frugiperda因其食性广、繁殖快、环境适应性强且易对化学杀虫剂产生抗性，对玉米生产构成重大威胁。此外，新近描述的寄生蜂物种Aleiodes ceres（膜翅目：茧蜂科）被认为是Spodoptera复合体的有前景的生物防治因子，但其生态学和趋化行为尚未被探索，A. brasilense接种是否改变该寄生蜂的寄主搜寻行为也不清楚。
研究人员假设A. brasilense接种会增强玉米对S. frugiperda的直接和间接防御，从而降低植食性害虫表现并增加寄生蜂Aleiodes ceres的吸引。为检验该假设并探究这些效应如何级联至更高营养级，研究人员考察了根际细菌接种对植物生长性状和叶片养分浓度、幼虫和蛹表现、寄生蜂吸引以及挥发物释放的影响。
二、研究设计与主要技术方法
研究人员使用非Bt玉米品种BRS 4103（购自巴西Embrapa Milho e Sorgo），在温室自然光照和温度条件下培育至V3–V4生长阶段用于生物测定。S. frugiperda和A. ceres均来自实验室种群，在受控条件下饲养。A. brasilense菌株Ab-V5在DYGS培养基上培养，接种浓度为108 CFU mL?1。种子经表面消毒后，一半浸入无菌DYGS培养基作为对照，另一半浸入细菌悬浮液1小时，种植后和出苗后10天分别补充接种。实验设置四个处理：非接种未损伤（Ab-Sf-）、非接种损伤（Ab-Sf+）、接种未损伤（Ab+Sf-）、接种损伤（Ab+Sf+）。
关键技术方法包括：植物生长性状测定（根长、根干重、叶干重）；幼虫和蛹表现测定（以离体玉米叶片饲喂S. frugiperda二龄幼虫至化蛹，记录幼虫体重、蛹重、发育时间和总发育时间）；叶片氮（N）和磷（P）浓度测定（分别采用凯氏定氮法和钼钒比色法）；Y型嗅觉仪生物测定（评估Aleiodes ceres雌蜂对不同气味源的嗅觉偏好，测试5种气味组合）；顶空挥发物收集与化学分析（采用气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）定量和气相色谱-质谱联用（GC-MS）鉴定，结合保留指数和合成标准品确认化合物身份）。统计分析采用广义线性模型（GLM）、广义线性混合模型（GLMM）、Welch方差分析和主成分分析（PCA）等方法。
三、研究结果
3.1 植物生长性状测定
通过植物生长性状测定发现，接种A. brasilense使玉米根长增加27.5%（LR=8.85，p=0.003），而根干重和叶干重未受接种影响。这表明该PGPR主要促进根系伸长而非生物量积累。
3.2 幼虫和蛹表现
通过幼虫和蛹表现测定发现，取食接种玉米植株的S. frugiperda幼虫体重显著更高（LR=12.47，p<0.001），蛹重也显著增加（LR=5.25，p=0.023）。幼虫发育时间缩短4.04%（LR=8.37，p=0.003），蛹发育时间无差异，总发育时间缩短2.71%（LR=5.13，p=0.021）。幼虫存活率不受接种影响。这表明A. brasilense接种促进了植食性害虫的生长和发育。
3.3 植物养分浓度
通过叶片养分测定发现，叶片氮浓度不受PGPR接种影响，而接种A. brasilense显著增加了叶片磷浓度（LR=6.00，p=0.014）。磷浓度的增加与幼虫体重增加相吻合，提示植物营养改善可能是害虫表现增强的原因之一。
3.4 嗅觉测定
通过Y型嗅觉仪生物测定发现，A. ceres雌蜂对非接种未损伤植物的组成型挥发物与洁净空气无显著偏好差异，但显著偏好非接种损伤植物释放的虫害诱导植物挥发物（HIPVs）而非洁净空气，也显著偏好非接种损伤植物而非非接种未损伤植物的挥发物。在评估PGPR接种效应时，寄生蜂显著偏好接种未损伤植物而非非接种未损伤植物的挥发物（LR=6.80，p=0.009），且显著偏好接种损伤植物而非非接种损伤植物释放的HIPVs（LR=13.8，p<0.001）。这表明A. brasilense接种增强了寄生蜂对植物挥发物的吸引。
3.5 植物挥发物
通过顶空挥发物收集和化学分析，共检测到31种VOCs。损伤植物（无论是否接种）释放的总挥发物量显著高于未损伤植物，而A. brasilense接种本身不影响总挥发物释放量。多种化合物（如3-己烯醛、(E)-2-己烯醛、3-己烯-1-醇、乙酸-3-己烯-1-醇酯、cis-β-罗勒烯、乙酸苄酯、乙酸β-苯乙酯、乙酸香叶酯、α-佛手柑油烯和cis-β-金合欢烯）仅在损伤植物中检测到。吲哚在接种未损伤植物和损伤植物中均有释放，但在非接种未损伤对照中缺失。β-石竹烯和β-倍半水芹烯仅在非接种损伤植物中检测到，表明根际细菌接种改变了特定虫害诱导挥发物的定性组成。TMTT在接种损伤植物中的释放量显著低于非接种损伤植物。主成分分析显示前两个主成分解释了66%的总方差，未损伤植物和损伤植物形成两个明显聚类，表明虫害损伤对挥发物谱变异的贡献大于根际细菌接种。
四、讨论与结论
本研究表明A. brasilense接种在玉米-S. frugiperda-A. ceres互作中对不同营养级产生了不同效应。接种植物对A. ceres更具吸引力，与间接防御增强的预测一致；但接种同时与叶片磷浓度增加、S. frugiperda幼虫和蛹体重增加以及发育时间缩短相关，不支持接种会同时降低害虫表现的预期。
害虫表现增强可能部分与PGPR接种后植物营养品质的改变有关。叶片氮浓度在处理间无差异，而磷浓度在接种植物中增加且与幼虫体重增加相关。已有研究同样报道丛枝菌根接种增加玉米叶片磷浓度并伴随S. frugiperda幼虫生物量增加，支持根际细菌介导的植物营养状态变化可能促成害虫表现增强的推测。但由于研究人员未表征植物代谢谱或直接化学防御，无法确定组成型或诱导型防御变化是否也有贡献。
寄生蜂吸引增强指向涉及挥发物信号的不同植物介导机制。挥发物谱分析显示A. brasilense接种改变了植物挥发物混合物的组成，但这种改变未伴随总挥发物释放量的增加，提示寄生蜂吸引与混合物相对组成差异相关而非总释放量增加。吲哚在接种未损伤植物中检测到而在非接种对照中缺失，该化合物与玉米虫害诱导响应及苯并噁嗪类防御代谢物生物合成相关，提示A. brasilense可能在无虫害损伤时即改变防御相关挥发物信号。β-石竹烯在非接种损伤植物中检测到但在接种损伤植物中缺失，该化合物与S. frugiperda的产卵减少和幼虫驱避行为相关，其缺失可能对害虫行为有潜在影响。TMTT在接种损伤植物中释放降低，但寄生蜂仍优先选择接种损伤植物，表明挥发物混合物的生态活性取决于各组分相对比例和互作而非单一化合物。
A. brasilense接种增强S. frugiperda幼虫和蛹表现的同时增加寄生蜂吸引，凸显了害虫直接获益与植物介导间接防御增强之间的潜在权衡。该研究首次评估了A. brasilense接种对玉米与S. frugiperda及其寄生蜂互作的生态学意义。寄生蜂吸引增强提示根际细菌接种可能有助于生物防治，但嗅觉仪测定仅测量了寄生蜂对植物挥发物的定向行为，而非后续寄主定位、寄生或害虫死亡率，因此增强的寄生蜂吸引不应被解释为接种可补偿所观察到的害虫表现增强。
总体而言，研究结果表明A. brasilense能够改变玉米介导的植食性害虫与其天敌之间的互作，其后果无法仅从植物或害虫单一角度预测。这凸显了在更广泛的生态学背景下评估有益微生物的必要性，跨营养级评估其效应对于确定微生物接种对害虫管理的后果至关重要。
