《Plant Biology》：Could mycorrhizal symbiosis prepare the grapevine to withstand subsequent biotic stresses through changes in the volatilome and ionome of leaves?
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寻找化学农药的替代品以保护葡萄藤免受生物胁迫，同时最大限度地减少对环境的影响，是一项优先事项。葡萄藤与丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）的共生是一种有前景的工具，因为AMF可以改变挥发物组（VOCs）谱并改善
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寻找化学农药的替代品以保护葡萄藤免受生物胁迫，同时最大限度地减少对环境的影响，是一项优先事项。葡萄藤与丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）的共生是一种有前景的工具，因为AMF可以改变挥发物组（VOCs）谱并改善葡萄藤的矿质营养状态。
研究人员评估了用有益微生物（AMF和植物促生根际细菌（plant-growth promoting rhizobacteria, PGPRs））接种丹魄（Tempranillo, T）和赤霞珠（Cabernet Sauvignon, CS）是否改善了叶片的营养状态和挥发性有机化合物（VOCs）水平，从而强化了该作物针对潜在生物胁迫的组成型防御。VOCs通过顶空固相微萃取和气相色谱-质谱联用技术进行分离和分析。矿物质通过电感耦合等离子体发射光谱法测定，而蛋白质、糖类、酚类、淀粉和脯氨酸则通过分光光度法测定。
在T和CS的叶片中检测到超过40种VOCs，其中大部分通过脂氧合酶-氢过氧化物裂解酶途径合成。CS叶片中VOCs的总量高于T，戊基叶挥发物、部分绿叶挥发物（green leaf volatiles, GLVs）以及通过莽草酸途径合成的VOCs也是如此。菌根共生仅在CS中增加了GLVs的浓度。AMF促进了CS中2-己烯醛和3-己烯醛的积累，但减少了T中通过甲羟戊酸途径合成的VOCs。菌根化增加了T叶片中的铜含量，但降低了CS中的铁含量。与AMF共生的CS中，可溶性叶片酚类物质也有所减少。
AMF（在PGPRs存在的情况下）在T和CS中引发了叶片离子组和挥发物组的细微且品种特异性的变化，这可能与不同的抗性水平有关。不能排除VOCs合成是对病原体攻击的响应。
论文解读文章
一、研究背景与目的
葡萄是全球最重要的木本经济作物之一，但同时也是农药使用强度最高的作物之一。全球变暖与病害发生率的上升对葡萄栽培、产量、浆果成分及葡萄酒品质构成了显著威胁。因此，寻找化学农药的替代品以保护葡萄藤免受生物胁迫，同时最大限度地减少对环境的影响，已成为葡萄栽培领域的优先事项。近年来，利用土壤微生物作为实现弹性葡萄栽培的有效工具受到越来越多的关注。丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）能与葡萄根系形成互利共生关系，对葡萄的正常生长发育至关重要。然而，葡萄园土壤中AMF的丰度和多样性常受树龄、管理措施等因素限制。已有研究表明，AMF共生可改变寄主植物的挥发物组（volatilome）谱，并改善寄主植物的矿质营养状态。挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）在植物与其它生物的通讯及适应生物胁迫中发挥关键作用，其中绿叶挥发物（green leaf volatiles, GLVs）具有抗菌活性并参与植物间的通讯和系统防御的启动。矿质营养在植物抗病能力中也扮演着重要角色。基于此，研究人员开展本研究的目的是评估菌根共生对两个广泛栽培的红葡萄品种——丹魄（Tempranillo, T）和赤霞珠（Cabernet Sauvignon, CS）叶片中VOCs和矿物质积累的影响，以探究AMF是否通过改变叶片挥发物组和离子组来增强葡萄的组成型防御，从而为抵御未来潜在的生物胁迫做好准备。
二、主要技术方法
研究人员以一年生丹魄（克隆RJ43）和赤霞珠（克隆15）嫁接苗（砧木R110-E35）为材料，将其分为接种AMF（+M）和不接种（?M）两组。+M组接种含有五种AMF（Rhizophagus irregularis, Funneliformis mosseae, Septoglomus deserticola, Claroideoglomus claroideum 和 Claroideoglomus etunicatum）和四种PGPRs（Bacillus subtilis, B. megaterium, B. altitudinis 和 B. licheniformis）的商业接种物；?M组仅接受含根际细菌的滤液。采用根染色和网格交叉法测定菌根定殖率。叶片VOCs通过顶空固相微萃取（(HS)SPME）结合气相色谱-质谱联用（GC–MS）技术进行分离和鉴定。叶片矿质元素（P、K、Mg、Ca、Mn、Fe、Zn、Cu）采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定，总氮（N）和碳（C）通过元素分析仪测定。有机溶质（总可溶性蛋白TSP、脯氨酸、总可溶性糖TSS、淀粉、总可溶性酚类TSPhe）采用分光光度法测定。数据采用双因素方差分析（ANOVA）和Student's t检验进行统计分析。
三、研究结果
菌根定殖
两个葡萄品种的根系均被AMF大量定殖，T的定殖率为73.4%，CS为73.6%，表明葡萄品种并未显著影响AMF对根系的定殖速率，这可能与两个品种嫁接在相同的砧木上有关。非接种植物中未观察到菌根结构。
叶片中的挥发性化合物（VOCs）
在两个葡萄品种的叶片中共鉴定出42种VOCs，其中21种可能通过脂氧合酶-氢过氧化物裂解酶（LOX/HPL）途径合成，12种属于甲羟戊酸/甲基赤藓醇磷酸（MVA/MEP）途径，7种可通过莽草酸（SK）途径合成。3-甲基-2-戊烯仅在CS中鉴定到，而倍半萜C15H24仅在T叶片中检测到。绿叶挥发物（GLVs）是两个品种中最丰富的VOCs组。以叶片鲜重（FW）计，CS的总VOCs含量显著高于T，但仅品种因素对总VOCs含量有显著影响。CS积累了比T更多的戊基叶挥发物（PLVs）和GLVs。菌根共生仅在CS中显著增加了GLVs的浓度，特别是促进了2-己烯醛和3-己烯醛（异构体1，反式）在CS中的积累。相反，AMF使T叶片中通过MVA/MEP途径合成的VOCs减少了约30%。品种因素强烈影响SK途径合成的VOCs积累，CS的浓度显著高于T，而AMF对此无显著影响。此外，研究人员还评估了与增强对致病真菌Plasmopara viticola（霜霉病病原）抗性相关的VOCs（包括2-乙基呋喃、反式石竹烯、2-戊烯醛、2-苯乙醇、β-紫罗酮、β-环柠檬醛和苯甲醛）的水平，发现CS中的含量高于T，且这种差异在+M植物中更为明显。
叶片中的矿物质和有机溶质
两个品种叶片中的大量元素浓度非常相似，不受菌根共生影响。然而，+M植物的碳氮比（C/N）显著降低。品种和菌根共生因素显著影响某些微量元素的水平。菌根共生显著增加了T叶片中的铜（Cu）含量，但未影响CS；AMF显著降低了CS叶片中的铁（Fe）含量，+M CS植株的Fe含量约为?M植株的一半。品种和菌根因素均显著影响锰（Mn）水平，T通常积累比CS更多的Mn，而菌根共生倾向于降低这些水平。锌（Zn）未受显著影响。在有机溶质方面，品种因素显著影响淀粉和总可溶性酚类（TSPhe）的含量，菌根因素影响TSPhe浓度。当植物与AMF共生时，T+M叶片积累的淀粉多于CS+M，但CS+M的TSPhe水平高于T+M。
四、讨论与结论
研究结果表明，AMF（及其与PGPRs的潜在协同作用）在T和CS中引发了叶片离子组和挥发物组的细微且品种特异性的变化。在无生物胁迫条件下，AMF增强了T叶片中Cu的积累，并增加了CS叶片中总VOCs（主要是GLVs）的积累。T叶片中Cu的积累可能使植物具备更强的在潜在生物胁迫下释放VOCs的能力，即通过Cu诱导的引发作用（priming）增强防御反应。而CS则通过AMF直接提高了VOCs（尤其是GLVs）的产生。这些品种特异性的变化可能与其不同的抗性水平相关，例如CS对霜霉病的抗性高于T。研究结论表明，AMF可以通过不同方式提高T和CS叶片的VOCs产生：在CS中为直接作用，在T中则通过Cu诱导的引发作用以应对潜在的生物胁迫。因此，菌根共生作为一种可持续的生物工具，具有增强葡萄藤组成型防御、减少化学农药使用的潜力。
