《Discover Plants》：The future of salicylic acid in agriculture lies in precision priming
随着全球正朝着对农药实施严格监管的方向发展，触发植物天然防御的植物激素构成了可持续农业的基础。其中，水杨酸（salicylic acid, SA）是调控针对半活体营养型和活体营养型病原体的广谱免疫反应——系统性获得抗性（systemic acquired resistance, SAR）的主要植物激素。尽管SA作为合成农药的可持续替代品潜力巨大，但其田间功效滞后，存在病害防治效果不一致、药害以及显著的产量损失等问题。本综述汇集了新兴证据，用以解释SA介导的病害防治在田间条件下不一致的原因，并提出了基于引发的框架以提高作物保护系统的可靠性。综述聚焦于两个尚未充分探索的领域：第一，生长-防御权衡的代谢与激素基础；第二，气候诱导的信号传导失效，即升高的温度会破坏SA转录机制。同时，综述探讨了新兴的创新策略，如用于控制释放的纳米制剂、具有增强稳定性的合成类似物，以及从直接诱导到分子引发的范式转变，以解决现有问题。通过整合模式植物和作物物种的研究发现，研究人员推断SA在农业中的未来并不在于田间的直接高剂量施用，而在于开发与植物生物学协同工作的智能化、气候适应性引发系统。
1 引言
随着欧洲绿色协议等政策框架的实施以及对无残留农产品的需求，全球可持续农业实践正在增加。这引发了从广谱合成农药向综合性、基于生物的作物保护策略的决定性转变。在这一新概念中，能够激活植物固有防御机制的物质被称为植物免疫激发子。其中，SA是系统性获得性抗性（SAR）的主要调节因子。SAR代表一种广谱、可诱导的植物免疫状态。
外源施用SA在实验室研究中能持续增强抗性。但在田间条件下，其表现不稳定，常导致药害和产量损失。这种实验室发现与实际农艺之间的差距不仅是技术挑战，也是分子和生理层面更深层次、未解决冲突的症状。本文旨在超越简单的现象罗列，通过审视为何这种强大的内源性信号在外源施用时会被削弱，提供批判性的综合论述。
本综述聚焦两个关键问题：第一，免疫的生物学代价，包括资源重新分配和激素拮抗作用，从而导致生长-防御权衡；第二，气候诱导的信号传导失败，这是一个新出现的限制因素，即温度升高可能破坏SA响应所需的转录机制。通过整合关于纳米递送、合成引发剂和激素串扰的最新发现，本综述旨在应对这些挑战。基于现有证据，研究人员认为，SA在农业中的未来取决于一个根本性的范式转变，即不再将其视为一种简单的保护性喷剂。
2 水杨酸的生物合成、感知与信号放大的分子基础
SA是一种简单的酚类化合物，但它成为植物免疫不可或缺的一部分。植物通过两条不同的途径合成它。异分支酸合酶（ICS）途径在植物检测到病原体攻击时被激活，主要存在于模式植物拟南芥的叶绿体中。它会显著上调ICS1、增强病敏感性5（EDS5）、avrPphB易感蛋白3（PBS3）和增强假单胞菌易感性1（EPS1）基因的表达。这是经典且可诱导的SA产生途径。
2.1 ICS和PAL生物合成途径
ICS仅催化分支酸转化为异分支酸，而在细菌中，异分支酸由异分支酸丙酮酸裂解酶（IPL）转化为SA。因此，研究人员长期在植物中寻找IPL同源物。然而，即使在发现ICS1后的近二十年里，这种假定的植物IPL仍未找到，这使得异分支酸转化为SA的机制悬而未决。这个长期存在的谜团终于在2019年被解开，两项独立研究阐明了植物中病原体诱导的SA生物合成途径中缺失的步骤。这些里程碑式的研究表明，该途径并非依赖于直接的IPL介导的裂解，而是依赖于细胞质输出、PBS3介导的与L-谷氨酸的结合，以及最终由EPS1介导或自发转化为SA的过程。
相比之下，苯丙氨酸解氨酶（PAL）途径在细胞质中运作。它更具组成性，并与苯丙烷代谢相关，后者是一组用于植物生长、发育和结构支持的广泛化合物。如图2所示，SA的生物合成始于PAL将苯丙氨酸转化为反式肉桂酸。
ICS途径和PAL途径在水杨酸生物合成中的平衡在不同植物物种间并非普遍一致。尽管ICS途径已在拟南芥中得到完全表征，但许多物种，如杨树和其他多年生植物，依赖尚不完全清楚的PAL途径进行SA的组成性和病原体刺激下的合成。在大豆中，两种途径共同对抗病原体；沉默任一途径都会阻止SA的生物合成。然而，主要作物科（禾本科、豆科、茄科、十字花科）中每条途径的相对贡献尚未被系统量化。此外，据报道，杨树这种多年生木本植物通过PAL途径组成的SA葡萄糖苷（SAG）积累量比拟南芥（一年生草本）高出十倍。这些发现表明，我们不能将拟南芥模型视为水杨酸生物学的通用模型，来自一年生草本植物的结果可能不适用于多年生作物。木本植物可以表现出SA和JA之间的协同作用，而非通常的拮抗作用。这种基本生化层面的物种特异性强调了在作物保护中采取定制方法的必要性。
2.2 感知、信号放大与SA-ROS调控节点
SA合成后，其信号通过非表达病程相关基因1（NPR1）（图3）感知，NPR1是系统性获得性抗性（SAR）的主要开关。正常情况下，NPR1以寡聚体形式存在于细胞质中。SA的积累触发二硫键的还原并释放NPR1单体。这些单体转移到细胞核，充当TGA转录因子的共激活因子，驱动病程相关（PR）基因的表达，例如PR1。PR基因产生几丁质酶、葡聚糖酶和抗菌蛋白，它们作为植物SAR的直接武器。这一过程由旁系同源物NPR3和NPR4调控，以避免SAR的过度激活，否则会浪费能量并损害生长。旁系同源物作为SA受体，感知水杨酸水平。如果SA水平过高，NPR3和NPR4会促进NPR1的降解。这防止了过度的免疫激活，对于可持续的作物保护至关重要。
信号放大不仅激活PR蛋白，还增强了植物的抗氧化防御系统。例如，在感染苜蓿花叶病毒（AMV）的茄子中外源施用SA，提高了关键抗氧化酶的活性，如过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POX）和多酚氧化酶（PPO）。它还增加了总可溶性酚类物质，这些物质能直接清除活性氧（ROS）并恢复光合色素。这种平衡的反应控制了ROS爆发，后者既是防御信号，也是潜在细胞损伤的来源。
水杨酸（SA）和活性氧（ROS）密切相关，SA刺激ROS产生，而ROS反过来又调节SA信号传导。这种相互反馈形成了一个关键的调控节点，维持着氧化还原稳态，确保免疫反应足够强大以对抗病原体，同时又不会对植物细胞造成自身伤害。
在模式植物（如拟南芥）中，SA-ROS-NPR1信号系统看起来精巧高效：它以可控的方式激活免疫。但在实际作物中，通过外源SA喷雾强制启动该系统通常会导致生长-防御权衡，植物能量从生长转向防御，导致产量下降。它还可能在多变的环境条件下引起药害和不稳定性。
最近的研究表明，NPR1的激活和核输入实际上是一个高度协调的两步过程。虽然SA直接触发NPR1的单体化，但一个独立的、不依赖于SA的系统性信号诱导激酶蔗糖非发酵-1相关蛋白激酶2.8（SnRK2.8）的表达。SnRK2.8介导的NPR1磷酸化对于其成功进入细胞核以建立系统性免疫（尤其是在远端组织中）是不可或缺的。
2.3 细胞类型特异性和免疫执行的异质性
尽管传统的转录组学分析是在整个组织水平进行的，但揭示驱动SA引发和SAR的关键细胞异质性至关重要。单细胞和空间转录组学（ST）的最新进展已经开始解决这一问题，通过鉴定关键的SAR相关调控因子，如黄素依赖性单加氧酶1（FMO1）、IAA-亮氨酸抗性样6（ILL6）和AGD2样防御反应蛋白1（ALD1）。这些调控因子在韧皮部伴胞细胞内高度富集。这种富集表明，这些细胞可能在产生系统性免疫信号中发挥关键的调控作用，尽管它们对信号产生的直接贡献需要进一步的实验验证。此外，高分辨率图谱揭示，免疫的执行是基于细胞身份的。不同的植物细胞类型具有不同的免疫职责。例如，表皮平周细胞利用钙调蛋白结合蛋白60g（CBP60g）和SAR缺陷1（SARD1）来加强叶片表面并阻止病原体入侵，而邻近的组织则处于不同的生理和免疫状态。
通过区分这些局部的防御性细胞类型与器官范围的适应程序，引发通常是通过动态的细胞状态转换和防御位点的开放染色质构象来编码的。这些变化允许在感知信号时进行快速、细胞类型特异性的转录激活。整合这些细胞解析机制，从韧皮部驱动的系统性信号传导到组织特异性转录因子（TF）库，为“精准引发”和靶向遗传工程以增强作物抗逆性提供了重要的蓝图。
3 生物学代价：解构生长-防御权衡
SAR的激活并非无害的警报；它是一种代谢成本高昂的紧急状态。它需要将有限的资源从生长重新分配到防御。这一基本的生物学约束被称为生长-防御权衡，强烈导致了药害和产量下降。因此，当SA在田间外源施用时，这种权衡可能会破坏作物生产力。这种权衡在突变体研究中被量化；据报道，拟南芥植株中组成型活跃的SA信号传导导致生长减少50%。这种代价并非理论概念，而是光合同化物、氮和能量从初级生长过程（如细胞分裂、伸长和生物量积累）切实转移到了防御性次生代谢物、PR蛋白以及木质素和木栓质等加固化合物的合成上。例如，在越南人参中外源施用SA不仅增强了对镰刀菌的抗性，还积极调控了有价值的次生代谢物的产生。这种反应反映了代谢资源直接重新分配到SA介导的化学防御途径中。
3.1 通过抑制生长素、赤霉素和油菜素内酯实现的激素拮抗作用
SA抑制植物的发育途径，因为它破坏了调控细胞扩张的植物激素——生长素的信号传导。结果，病原体的生长受到限制，因为许多病原体依赖宿主细胞的扩张。然而，它同时导致根和芽发育受阻。在胁迫条件下，生长素相关基因的差异表达突显了它们在增强对病原体的抗性和改善耐旱性方面的作用。病原体可以利用这种激素串扰来削弱植物的防御反应。例如，在荔枝中，霜疫霉病原体荔枝霜疫霉操纵宿主miRNA——荔枝microRNA 160（LcmiR160）来靶向并抑制生长素响应因子荔枝生长素响应因子18（LcARF18），导致激素串扰中断，从而中断水杨酸介导的防御。此外，生长素影响根系结构和生长响应，促进诸如毛状体发育等适应性状以防御食草动物。
类似地，SA通过稳定DELLA蛋白来拮抗赤霉素（GA）和油菜素内酯途径，DELLA蛋白是生长相关基因表达的强效抑制因子。这种激素抑制创造了SA处理植物常见的表型：株高较矮、叶面积减小和根系受损。
由生长素和SA之间的拮抗作用所主导的生长-防御权衡机制，主要通过Gretchen Hagen 3（GH3）基因家族执行。这些基因编码生长素酰胺合成酶，将活性游离吲哚-3-乙酸（IAA）与各种氨基酸结合，从而有效灭活激素并在压力下维持细胞稳态。在生物胁迫期间，例如细菌感染，植物诱导如AtGH3-5/WES1等基因，消耗游离IAA池，从而抑制生长。另一方面，防御响应基因如AtPR-1被上调。这种代谢重编程进一步由转录因子如水稻MYB转录因子R1（OsMYB-R1）协调，它作为一个调控枢纽，介导生长素和SA信号通路之间的串扰，以优先考虑生存而非发育扩展。
除了代谢失活之外，这种权衡还通过信号水平的干扰得到加强，其中胁迫诱导的信号级联直接抑制生长素响应机制。由胁迫源或SA施用触发的增加的丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）活性已被证明负调控生长素响应基因的诱导。此外，环境线索可能导致Aux/IAA阻遏蛋白的稳定化，并阻止其蛋白酶体降解。结果，生长素响应因子（ARFs）的活性被抑制，而这些因子是生长素响应基因转录所必需的。这种机制的一个例子在病毒感染期间观察到，例如烟草花叶病毒（TMV）利用此途径。TMV复制酶蛋白稳定Aux/IAA阻遏蛋白并抑制生长相关基因的激活，导致受感染植物矮化、形态异常。因此，在胁迫期间观察到的生长迟缓不仅是被动的资源耗竭，也是一种高度调控的稳态转变，植物在此过程中有意限制生长以确保结构完整性和代谢防御。
3.2 超越简单拮抗作用的SA-JA串扰
茉莉酸（JA）是负责防御灰葡萄孢菌等坏死营养型病原体和食草动物的激素。传统认为SA和JA是拮抗的观点现在正在被重新审视。尽管它们通常竞争信号资源，但上下文依赖的协同相互作用是可能的。与单独施用SA或JA相比，在玉米中联合叶面施用这两种激素来控制草地贪夜蛾不仅恢复了生长，还增加了脯氨酸和酚类等防御性化合物的产生。此外，一项进化分析表明，共享的转录因子，特别是WRKY转录因子70（WRKY70）家族——这些蛋白作为双功能调控枢纽，允许DNA结合并调控基因表达——能够在杨梅和水稻中同时激活防御。这一发现得到了纳米生物刺激素处理在受感染植物中同时提高SA（46.5%）和JA（36.5%）水平的观察结果的支持。总之，这些发现为传统的SA-JA拮抗模型提供了一个具体的机制反例，也挑战了权衡概念的普遍性。
因此，通过这些发现，研究人员推断免疫的成本并非固定不变。它取决于植物内部的激素对话。过量的SA施用使植物处于持续的防御状态。这种持续的压力减少了可用于正常生长的资源，导致生产力降低。这凸显了引发的重要性，引发使植物准备好快速防御反应，而无需维持连续的免疫激活。经过引发的植物（SA预处理的的大豆）未显示立即的生长惩罚，但在病原体攻击时表现出更快、更强的防御反应。这种引发与表观遗传修饰（如组蛋白乙酰化）有关，这有助于准备防御基因以便快速表达。它代表了一种优雅的多层调控策略，在三个相互关联的层面上运作：表观遗传预备、NPR1阈值调节和代谢缓冲。
3.3 通过SA引发避免生长惩罚的机制
与组成型的SA激活不同，SA引发维持一种防御准备状态，而不建立全面的免疫激活。引发状态是一种分子预备状态，其中防御相关的染色质、信号组分和代谢资源已准备好快速部署，而昂贵的防御输出在接收到后续胁迫信号之前保持受限。防御准备状态与防御执行状态之间的区别涉及相互关联的表观遗传、信号和代谢机制。
3.3.1 表观遗传预备和转录记忆
引发诱导染色质景观发生稳定但可逆的修饰，使防御相关基因处于预备状态。外源施用SA或其类似物会增加关键防御基因（如WRKY转录因子和PR基因）启动子上H3和H4的组蛋白乙酰化。这种修饰有利于在随后感知病原体时实现更快的转录，而无需在引发阶段维持这些基因的持续表达。
在模式植物系统中，引发剂如戊酸（VA）可以抑制组蛋白去乙酰化酶（HDA6和HDA19）的催化活性，这些酶是SA介导的防御基因（如PR1和PR2）的阻遏物。但这种类似的表观遗传引发策略是否在单子叶植物和木本多年生植物中有效尚不清楚。在组蛋白甲基化方面，引发与防御相关启动子位点的H3K4me2和H3K4me3标记相关联。H3K4me2与允许性或转录预备的染色质状态相关，而H3K4me3更紧密地与转录活跃的基因相关。
这些染色质修饰提供了两种类型的“转录记忆”，使植物能够在引发阶段绕过活跃防御蛋白合成的高代谢成本。I型驱动长期的代谢重编程，如能量储存，而II型则在接触未来的胁迫源时快速重新诱导防御基因。因此，植物在真正遭受攻击之前不会耗费能量进行蛋白质合成。一旦检测到次级病原体刺激，预先调整的染色质状态促进了快速的转录激活，并提供了更强的响应。但根据现有知识，在任何作物系统中，SA引发后表观遗传记忆的持续时间尚未被量化，这是确定施用间隔的关键参数。
3.3.2 NPR1依赖的信号传导与阈值调控
该机制从根本上不同于直接的、高剂量的SA激活，后者受NPR1的单体/寡聚体平衡及其与浓度依赖性受体的相互作用所支配。避免生长惩罚进一步由NPR1的单体/寡聚体平衡及其与浓度依赖性受体的相互作用所调控。高水平的SA促进了NPR1与低亲和力受体NPR3之间的相互作用，后者靶向NPR1进行蛋白酶体介导的降解。这种高剂量状态通常会触发超敏反应（HR）以及局部细胞死亡，这在生理上是昂贵的，并且固有地限制了植物生长。
相反，在引发过程中，SA水平足以破坏NPR1与其高亲和力受体NPR4（后者通常在未感染细胞中清除细胞核内的NPR1）之间的相互作用，但仍低于触发NPR3介导的降解所需的阈值。这使得单体NPR1得以积累并使信号通路处于预备状态，而无需立即执行完整的防御程序，从而有效地将威胁感知与防御执行分离开来。因此，这种机制可能为分离威胁感知与全面防御执行提供了分子基础。
3.3.3 代谢重塑
SA引发还与有助于平衡防御和生长能量需求的代谢调整相关。引发将初级代谢转向糖异生以及淀粉和乙酸盐的积累。这些物质作为能量储备，使植物在遭受攻击时能够利用储存的资源，而不是不断地将能量从生长中转移出去。
4 田间应用的环境与实践挑战
在田间条件下，由于物理化学和环境障碍，外源SA的功效进一步减弱。
4.1 物理化学不稳定性和制剂挑战
首先，该分子在农艺上存在问题。纯SA具有高度光敏性。它在紫外线下会发生快速降解，这是由于光氧化反应破坏了其芳香族结构。由于微生物代谢，它在土壤中的持久性也很低。此外，其适度的水溶性使得制剂更加复杂，并缩小了有效剂量范围。确定一个既能有效又不产生药害的SA剂量仍然具有挑战性。在桃树上，需要相对较高的浓度（8 mM）来控制采后腐烂。由于这种敏感性，SA的均匀施用可能存在风险，因为喷雾覆盖范围和环境条件可能会有很大差异。
4.2 温度诱导的信号传导中断
也许最大的挑战来自田间高温。研究表明，SA信号传导具有热不稳定性。当生长季节温度超过28-30°C时，热浪会直接抑制关键转录因子CBP60g和SARD1的表达，这些转录因子激活ICS途径中的主要生物合成基因ICS1。结果，SA的生物合成及其对威胁的响应放大受到限制。它们的转录沉默会限制高温条件下SA的生物合成和下游防御信号传导。然而，这种分子约束是否直接降低了田间热胁迫下外源施用SA的效果，仍有待实验证实。这种分子瓶颈有助于解释为什么许多田间应用在作物面临气候胁迫时会失败。
虽然CBP60g和SARD1的这种热敏感性是模式一年生植物拟南芥中一个记录充分的发现，但其在多年生和木本物种中的普遍程度仍不确定。在木本多年生植物如美洲黑杨中，SA生物合成的关键调控因子被鉴定为钙调蛋白结合蛋白60E（PdCBP60E），它通过一个保守的PdPAD4-PdCBP60E-PdICS1模块运作。这一发现表明，木本物种也依赖于与一年生植物中发现的系统高度相似的信号系统。由于PdCBP60E与其拟南芥同源物共享保守的结构域，其活性也可能受到类似的温度依赖性调控机制的影响，包括鸟苷酸结合蛋白样（GBPL）防御激活凝聚体（GDACs）的调控，这是合理的，但尚未通过实验证明。然而，关于PdCBP60E介导的途径的热敏感性的直接实验证据仍然有限，这种提出的机制需要进一步研究。
同样，在水稻等物种中对SA积累有重要贡献的PAL途径，在高温条件下也可能被下调。因此，替代的SA生物合成途径不一定能为热诱导的SA介导免疫限制提供完全的保护。
4.3 基因型依赖的作物响应变异
除了这些物理化学和热限制之外，SA的田间应用还因作物响应的变异而进一步复杂化。外源SA施用的有效性不仅在作物物种间不统一，而且在同一物种的不同基因型之间也存在差异。在玉米中，Rabee和Al-Maha基因型在SA叶面施用后表现出优越的生理和产量响应，而其他基因型（Safa, Bohooth106, Bohooth 5012 和 Bohooth 5018）响应极小。类似地，八个春小麦基因型在干旱胁迫下对SA施用表现出不同的抗氧化响应，这表明遗传背景调节了SA的功效。
在热胁迫（42°C）下，向草莓植株喷洒（1 mM）SA诱导了防御代谢和生物量分配的品种特异性策略。'Camarosa' 采用高成本的驯化策略，通过上调PAL活性56.3%来实现。另一方面，'Paros' 表现出组成型耐受性，但果实重量急剧下降——'Paros' 下降了34.3%，而 'Camarosa' 仅下降了15.6%。更重要的是，在这个实验中，外源施用SA并未减轻任一品种的产量损失。这表明，在被认为有效的施用条件下，结果在很大程度上仍然是基因型依赖且不可预测的。它表明为某个品种开发的施用策略可能无法直接移植到另一个品种，需要昂贵且耗时的逐个品种优化，这是广泛采用的一个重要障碍。
4.4 田间环境中复合胁迫的复杂性
田间环境中多种胁迫的同时发生使复杂性进一步加剧。SA的作用超越了生物防御。它在植物对非生物胁迫的响应中也起着关键作用，这些非生物胁迫通常与病害压力同时发生。此外，SA通过与一氧化氮（NO）和脱落酸（ABA）等其他信号分子的复杂串扰来缓解盐度、干旱和重金属毒性。
