《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Rapid green leaf volatile sensing allows intact plants to release induced volatiles earlier than wounded emitters
编辑推荐：
在受攻击邻株附近的生物体能够通过危险信号激活自身防御。然而，尽管这些互作的时间动态对后续效应具有重要性，其仍未被充分解析。本研究实时考察了暴露于食草动物诱导邻株所释放诱导性挥发物的玉米（Zea mays）植株的防御响应。实验揭示了一个令人惊讶的时间悖论：完整
在受攻击邻株附近的生物体能够通过危险信号激活自身防御。然而，尽管这些互作的时间动态对后续效应具有重要性，其仍未被充分解析。本研究实时考察了暴露于食草动物诱导邻株所释放诱导性挥发物的玉米（Zea mays）植株的防御响应。实验揭示了一个令人惊讶的时间悖论：完整邻株较受攻击植株本身提前15至80分钟开始释放大多数诱导性挥发物。这种更早的响应性与防御激素（defense hormones）、挥发物生物合成基因或叶内挥发物积累的提前诱导无关。相反，受体植株保持气孔开放，而受攻击的释放者植株则迅速关闭气孔，可能由于水分损失所致。利用不同的挥发物缺陷突变体，研究人员证明受体植株的快速响应由绿叶挥发物（green leaf volatiles, GLVs）触发，该类物质在数分钟内从释放者植株伤口位点释放且不依赖气孔开度。因此，未受攻击的邻株可作为"无阻碍观察者"（unhindered observers），其激活某些防御的速度较受攻击生物体本身更快，因为其无需应对创伤。由此形成的植物挥发物串联模式拓展了对挥发物信号传导的理解，并可能塑造种群层面的多营养级互作（multitrophic interactions）。
## 论文解读
**研究背景与问题** 植物能够利用早期预警信号预判即将到来的攻击，这是有效防御和免疫的关键。植物可利用一系列化学线索在食草动物攻击发生前进行检测，包括昆虫信息素、卵源线索以及来自受攻击邻株的挥发物。挥发物介导的防御诱导在多种植物中普遍存在，并可在自然和农业环境中保护植物免受食草动物侵害。然而，研究人员对该过程 underlying 时间动态缺乏精细认识，限制了对植物—食草动物—天敌之间互作的理解。时间性是挥发物介导互作的关键决定因素。不同诱导性挥发物具有不同的时间窗口：绿叶挥发物在数秒至数分钟内释放，而萜类和芳香族化合物在攻击后数小时内释放。尽管已有研究表明邻株可在数分钟内对绿叶挥发物作出响应，但释放者与受体植物之间挥发物交换的确切时间进程仍属未知。受攻击释放者与未受攻击邻株之间防御激活的时间滞后，是这些情境中关键但未被充分解析的组成部分。基于此，研究人员以玉米为材料，实时同步比较了食草动物诱导的释放者植株与未受攻击受体植株的防御激活过程。
**研究方法** 研究人员以玉米（Zea mays）V2期植株为材料，将单株释放者置于玻璃 chamber 中，通过 Teflon 管路与含单株受体植株的相同 chamber 串联，洁净空气以0.8 L min?1从释放者流向受体，实现挥发物传递。释放者通过机械损伤并经昆虫口腔分泌物（oral secretions）处理模拟食草动物取食，每30分钟重复一次共三次。采用定制机器人高通量质子转移反应飞行时间质谱（PTR-ToF-MS）每15分钟实时监测挥发物释放；辅以传统动态顶空采集结合气相色谱-质谱（GC-MS）定量验证；利用13CO?脉冲标记追踪受体植株从头合成（de novo）挥发物；采用固相微萃取-气相色谱-质谱（SPME-GC-MS）测定叶内游离挥发物库；超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）测定植物激素；qRT-PCR分析挥发物生物合成基因转录水平；便携式气孔计测定气孔导度（gsw）。研究使用 igl、tps2/3、lox10、myc2ab 等突变体作为释放者以鉴定关键挥发物。需要说明的是，lox10 与 tps2/3 敲除株系在玉米自交系 KN5585 背景下利用 CRISPR/Cas9 技术构建，igl 与 myc2ab 突变体已有报道。
**研究结果**
*受体植株较食草动物诱导的释放者植株更快速释放大多数挥发物* 通过PTR-ToF-MS时间序列分析发现，模拟食草动物处理后数分钟内释放者即释放绿叶挥发物（以 m/z 99.08 检测，为(Z)-3-和(E)-2-己烯醛的质子化质量）。受体不释放己烯醛，但吸收部分释放者释放的己烯醛。1至2小时后，释放者与受体均开始释放吲哚、单萜、倍半萜及同型萜烯 DMNT 和 TMTT。令人惊讶的是，所有这些挥发物的释放均在受体中较释放者提前15至80分钟开始，峰值提前30分钟至4小时。GC-MS验证实验在60至75分钟窗口检测到受体释放吲哚和芳樟醇而释放者尚未释放。断开实验及13CO?标记实验进一步证实受体较早释放从头合成的挥发物。
*较早的诱导性植物挥发物释放与受体植株更强的激素或转录响应无关* 研究人员测定了 OPDA、JA、JA-Ile、ABA 和 SA 的时间序列，发现 JA、JA-Ile 和 ABA 在释放者与受体中均于15至45分钟内诱导，动力学相似且释放者总体水平更高；OPDA 仅在释放者中显著诱导；SA 在受体中较晚诱导。萜烯生物合成基因 FPPS3、TPS2、TPS3、TPS10、CYP92C5 及吲哚生物合成基因 IGL 在双方均于15至75分钟内显著上调，诱导速度相似。叶内游离挥发物库积累动力学总体相似。因此，受体更快的挥发物释放与激素爆发或转录激活的加快无关。
*受体植株规避创伤诱导的气孔关闭* 气孔计测定显示，释放者受食草动物诱导的叶片在15分钟内开始关闭气孔，45分钟后气孔导度降低超过50%；而受体植株保持气孔开放，仅在150分钟时出现轻度降低。损伤后施加昆虫口腔分泌物或水均引起相似的气孔导度下降，表明此为创伤诱导响应，且仅发生于局部受诱导叶片。因此，释放者受伤叶片迅速关闭气孔，而受体响应弱得多。研究人员指出，气孔效应与邻株较早响应相关，但现有实验手段尚无法确定其因果关系。
*绿叶挥发物是邻株快速响应所必需的* 利用挥发物生物合成突变体作为释放者进行鉴定：igl 突变体（吲哚缺陷）和 tps2/3 双敲除（单萜和同型萜烯缺陷）均不影响受体快速响应；而 lox10 突变体（绿叶挥发物生物合成缺陷）使受体完全无法响应，吲哚和萜烯甚至出现负释放率提示净吸收。myc2ab 突变体（茉莉酸信号受损、除绿叶挥发物外几乎所有诱导性挥发物释放极低）仍能触发受体完整快速响应。这些结果确认绿叶挥发物是触发邻株快速响应的必要信号，与其他诱导性挥发物无关。
**讨论与结论** 讨论部分指出，跨种群诱导响应由对胁迫的直接响应与对响应个体的间接响应之间的动态互作塑造，而受攻击个体与未受攻击邻株之间防御激活的时间滞后是其中关键但未被充分解析的环节。研究人员原本预期玉米萜烯和吲哚释放响应的滞后时间小于1分钟，却意外发现不存在滞后，邻株反而提前15至80分钟释放大多数诱导性挥发物。机制上，研究人员否定了释放者防御信号部署本身较慢的假设，因为双方部署防御激素、挥发物生物合成基因和挥发物产生的速度相似；最简约的解释是受体能够更快释放其诱导性挥发物。创伤导致快速水分损失从而触发气孔关闭，该响应主要局限于受伤释放者叶片；气孔关闭在伤口附近最强，而伤口周围完整细胞也产生大部分创伤诱导挥发物，挥发物需经叶片空气空间扩散才能到达伤口或远处开放气孔，可能延迟其释放。关于驱动挥发物，绿叶挥发物在创伤后快速释放且基本不受气孔开度限制，是触发邻株快速释放的候选信号；其他挥发物如吲哚可单独或与绿叶挥发物组合在较晚时间点启动防御，但不是快速邻株响应所必需。生物学后果方面，讨论提出两种情景：邻株可能作为反馈环路的一部分增强释放者防御表达；邻株可能通过"接力线索"（relay cueing）快速增强"警报"的距离和强度，从而促进天敌吸引。从适应性角度看，这些情景可能代表操纵或合作形式。结论部分译为：未受攻击的邻株可作为"无阻碍观察者"，其激活某些防御的速度较受攻击生物体本身更快，因为其无需应对创伤；由此形成的植物挥发物串联模式拓展了对挥发物信号传导的理解，并可能塑造种群层面的多营养级互作。
