微生物挥发性化合物增强CAM和C3作物的干旱恢复力与生产力

《Plant Biology》：Microbial volatile compounds enhance drought resilience and productivity in CAM and C3 crops

　　

植物与其相关微生物群落通过多样化的化学信号进行互作，其中包括微生物挥发性有机化合物（Microbial Volatile Organic Compounds, mVOCs)，这类物质作为可扩散的空气传播信号，能够调控植物生理过程与胁迫恢复力。这一现象在干旱条件下尤为重要，因为干旱是全球植物生产力的主要限制因素。尽管微生物挥发物的短期生理效应已被广泛记录，但其在较长时间尺度上对植物功能性状和表现的影响仍知之甚少，特别是在具有不同光合策略和水分利用特性的物种中。

研究人员探究了特定mVOCs——莰烯(Camphene, CAMP)、异戊酸乙酯(Ethyl Isovalerate, EV)、二者组合(EV+CAMP)以及壬醛(Nonanal)——对龙舌兰(Agave tequilana)和番茄(Solanum lycopersicum cv. Micro-Tom)的影响，分别代表CAM(Crassulacean Acid Metabolism)和C₃物种。龙舌兰和番茄幼苗分别经过一次挥发性物质暴露后，在限定水分限制条件下分别培养8个月和4.5个月。在龙舌兰中，研究人员评估了四类性状：叶片与生物量、根系、色素以及糖类和脯氨酸；而在番茄中，则评估了生长和产量。

EV处理继之以CAMP处理，在中度和重度水分限制下提升了龙舌兰的表现，促进了叶片和根系发育，提高了相对含水量(Relative Water Content, RWC)，并增加了碳水化合物和叶绿素水平。在番茄中，挥发性物质暴露使充足灌溉和中等干旱条件下的果实产量提高了0.10至2.65倍，其中EV在中等干旱下产生了最强效应。壬醛对龙舌兰产生了净负面效应，而EV+CAMP组合对番茄有积极效应，但对龙舌兰效果不佳。

研究结果证明，EV和CAMP单独或组合使用，可作为具有生物学活性的空气传播信号，调节水分限制条件下的植物生理可塑性。值得注意的是，单次挥发性物质暴露即可对营养生长和生殖发育产生持久效应，突显了其作为可持续工具增强干旱恢复力和作物生产力的潜力。

## 研究背景与问题提出

干旱是全球农业生产中最普遍的非生物胁迫因素之一，严重制约植物生产力并深刻塑造植物生理、生长和生活史策略。为应对水分限制，植物进化出包括根系结构重塑、水分利用效率(Water-Use Efficiency, WUE)调整、渗透调节以及光合代谢改变等多样化形态生理响应。不同光合策略物种对干旱的敏感性存在显著差异：景天酸代谢(CAM)植物通过夜间CO₂固定实现时间隔离，具有高度的水分利用效率，适应干旱环境；而C₃植物依赖白天持续CO₂吸收，通常对水分亏缺更为敏感。

植物并非孤立响应干旱，而是作为复杂生物群落的一部分。越来越多的证据表明，植物相关微生物在调控植物对非生物胁迫的响应中发挥关键作用，促进生长、养分获取和胁迫耐受。在此背景下，植物全生物体(Holobiont)概念强调植物表现源于宿主与其相关微生物群落的整合功能，通过多种化学和物理互作实现。在众多植物-微生物通讯机制中，微生物挥发性有机化合物(mVOCs)因其可远距离扩散和作用而备受关注。这些物质由广泛的细菌和真菌产生，能够影响植物生长、发育和防御，作用于根系结构、光合作用和激素信号等过程。

然而，既有研究主要集中于良好灌溉条件下对C₃和C₄模式植物的挥发性物质全谱进行长期或连续暴露，评估的是短期响应。一个关键科学问题尚未解决：瞬时的早期挥发性物质暴露能否诱导持久的生理和发育改变，从而在长期水分限制下影响植物表现？CAM植物作为干旱适应系统的代表，其挥发性物质介导的胁迫调控机制研究尤为缺乏。基于此，研究人员以龙舌兰(CAM代表)和番茄(C₃代表)为材料，检验单次早期暴露于生物活性剂量mVOCs是否足以在充足灌溉、轻度、中度和重度干旱条件下诱导 lasting effects on vegetative growth, root development, physiological traits, and reproductive output。

## 关键技术方法

研究人员采用了植物材料培养与温室控制系统、单次外源挥发性物质喷施处理技术、分级控水干旱模拟系统、基于图像分析的植物形态学量化技术(Fiji软件与RhizoVision Explorer根系分析平台)、叶片相对含水量测定(Weatherley法)、光合色素分光光度定量、脯氨酸快速定量法(Bates法)、糖类比色测定，以及基于非参数统计(Kruskal-Wallis检验和Wilcoxon秩和检验)的数据分析方法。样本来源为Cinvestav Irapuato采集的龙舌兰种子经组织培养获得的组培苗，以及商业化Micro-Tom番茄种子。

## 研究结果

**挥发性物质对龙舌兰长期干旱表现的差异化效应**：研究人员每两个月分析一次早期挥发性物质暴露对龙舌兰在四种干旱水平下长达8个月的影响。结果显示，EV和CAMP单独处理倾向于改善植物的生理和生化表现，尤其在中度干旱(MD)和重度干旱(SD)下。EV处理引发最积极反应，增强部分地上部和根系相关性状、水分状态和色素含量；EV处理的所有植株均存活且长势更旺盛。CAMP产生中等但一致的改善。相反，EV+CAMP组合和壬醛处理显著降低植物适合度，尤其限制根系发育，负面影响地上部发育、生物量、糖类积累和脯氨酸水平。这一发现表明挥发性物质效应存在化合物特异性和剂量依赖性，组合使用并非简单叠加。

**不同干旱梯度下的特异性响应**：在充足灌溉(WW)条件下，EV处理显著提高相对含水量和叶绿素b水平，各处理的不溶性碳水化合物均显著高于对照。轻度干旱(LD)下，CAMP处理倾向提高RWC、叶面积和长度；EV处理则显著增加游离脯氨酸含量，可能与轻度水分亏缺下的渗透调节有关，同时促生更多叶绿素、类胡萝卜素和更大叶面积。中度干旱(MD)下，EV处理显著增加根宽，暗示根系结构在中度水分限制下的 robust modification；该处理还倾向增加叶面积和长度、RWC、干沃重、根数、根系深度和直径以及类胡萝卜素。重度干旱(SD)下，EV处理维持较高叶绿素含量、叶绿素/类胡萝卜素比值和碳水化合物水平。这些结果支持早期mVOCs暴露通过维持与水分状态和碳分配相关的根-冠性状来缓解干旱相关损伤。

**番茄营养性状的长期效应**：基于龙舌兰的积极结果，研究人员进一步检验挥发性物质对C₃作物番茄在中等干旱下的效应。叶片和分枝数分别监测至暴露后第3周和第6周。充足灌溉下，对照和EV处理产生显著更多叶片；而中等干旱下，EV处理优于所有其他处理。分枝数在充足灌溉下CAMP和EV+CAMP处理较低，中等干旱下EV和EV+CAMP处理相比对照显著增加。实验结束时，中等干旱下CAMP和EV+CAMP处理根干重显著高于对照；充足灌溉下EV处理地上部生物量增加。这些结果表明挥发性物质对营养性状的影响依赖于特定化合物和水分条件的交互作用。

**挥发性物质提升番茄果实产量，干旱下效应尤为突出**：研究人员监测了充足灌溉和中等干旱条件下第14-18周的成花数和果实收获数、重。虽然单花数和果实重量无显著差异，但总收获果数在干旱下低于充足灌溉，符合预期。所有挥发性物质处理在两水分条件下均比对照产生更多果实，中等干旱下增幅最大：充足灌溉下，EV、混合物和CAMP分别增产27%、18%和9.9%；中等干旱下EV处理增产165%，CAMP和混合物分别增产95%和78%。这一显著增产伴随单株生产力的提高，且未牺牲果实品质。研究证实单次早期暴露于EV、CAMP或其组合可促进果实生产和成熟，即使在干旱条件下亦然。

## 讨论与结论

研究人员深入分析了mVOCs诱导长期干旱恢复力的机制意义。对于CAM物种，长期效应的发现尤为重要，因为既有研究集中于短期响应。龙舌兰作为长寿命CAM作物，其8个月的干旱处理模拟了自然栖息地的旱季长度。EV和CAMP处理在中度干旱下的积极响应尤为关键，因该条件接近龙舌兰栽培分布区的典型气候。RWC、叶绿素和类胡萝卜素的维持，以及碳水化合物和脯氨酸的调节，共同指向了水分保持、光合机构保护和渗透调节的综合机制。然而，EV+CAMP和壬醛的负面效应提示特定剂量和组合可能触发毒性或代谢权衡，强调了针对不同宿主-挥发性物质组合优化剂量的必要性。

对于C₃作物番茄，研究首次证明特定mVOCs可提升干旱下的果实产量。增产机制可能涉及根系的早期发育优势——CAMP在中等干旱下显著增加根干重，这与龙舌兰中观察到的根系结构改善形成跨功能类型的趋同。尽管分子机制尚待阐明，但研究人员推测可能涉及水杨酸(Salicylic Acid, SA)、脱落酸(Abscisic Acid, ABA)和活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)等胁迫响应信号网络的激活。

跨CAM和C₃植物的共享长期效应是研究的突出亮点。尽管两种物种在光合途径和水分利用策略上截然不同，但均在挥发性物质暴露后表现出干旱相关表现的趋同性长期改善，尤其体现在根系性状的增强。这种跨功能类型的一致性暗示mVOCs可能通过保守的生理调控模块影响植物适应性。

研究结论指出，mVOCs作为早期化学信号能够塑造植物对水分限制的长期响应。该发现将挥发性物质介导的信号拓展至CAM和C₃植物的长期干旱响应，凸显了微生物挥发性物质在水分限制环境下植物适应中的相关性及其广泛应用潜力。观察到的响应可能与挥发性物质暴露促进的养分获取改善和根系结构优化有关。鉴于对番茄生产力的积极效应，未来研究应评估该方法在C₄作物如玉米、小麦、水稻和高粱中的适用性，并阐明微生物挥发性物质感知和信号转导的分子机制，以及这些响应是否涉及启动效应(priming)或持续性生理改变。EV和CAMP的应用是一种成本效益高、安全且可扩展的策略，单次低剂量暴露即可产生持续的积极效应，目前针对干旱区作物生产的不同配方和应用方案正在测试中。

本论文发表于《Plant Biology》。