《Plant, Cell & Environment》：Water Deficit Does Not Compromise the Resistance to Insect Herbivores in Plants Associated With Fungal Endophytes Able to Produce Bioactive Alkaloids
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生长在自然界的植物暴露于多种非生物和生物胁迫因子，这些因子有时会顺序发生。研究人员假设，当植物与能够产生生物活性生物碱的 Epichlo? 内生菌共生时，干旱不会损害其对食草动物的抗性水平。将无（nil）和带有 Epichlo? LpTG-3 sp. 菌株 A
生长在自然界的植物暴露于多种非生物和生物胁迫因子，这些因子有时会顺序发生。研究人员假设，当植物与能够产生生物活性生物碱的 Epichlo? 内生菌共生时，干旱不会损害其对食草动物的抗性水平。将无（nil）和带有 Epichlo? LpTG-3 sp. 菌株 AR37 的多年生黑麦草（Lolium perenne）植株（其中野生型（wt）和 ?idtD 能够产生吲哚二萜生物碱（indole diterpene alkaloids），而 ?idtM 不能产生）进行干旱处理，随后在干旱恢复期用禾谷缢管蚜（Rhopalosiphum padi）进行挑战。干旱增加了 nil 和 ?idtM 共生植株对蚜虫的敏感性，但不影响 wt 共生植株的蚜虫抗性。干旱增强了 ?idtD 共生植株的蚜虫抗性，这一反应与干旱介导的某些 AR37 衍生生物碱浓度增加有关。干旱对植物的负面影响通过 AR37 共生得到缓解，表现为宿主生长促进，这与干旱保护性植物激素和氨基酸（如脱落酸（abscisic acid, ABA）和脯氨酸）浓度增加，以及属于 Agrococcus、Chryseobacterium 和 Parcubacteria 的细菌丰度富集有关，这些细菌含有提供胁迫保护性状的成员。本研究强调了内生菌在提高植物应对非生物和生物胁迫因子性能中的关键作用。
**研究背景、问题与意义**
植物在自然生态系统中常同时或顺序暴露于非生物胁迫（如干旱）和生物胁迫（如昆虫食草）之下，二者协同作用往往比单独作用对植物适应性危害更大。冷季型禾草与 Epichlo? 属真菌内生菌形成共生关系，这类内生菌既能通过改变宿主形态生理（如根系生物量、植物激素浓度）来缓解干旱胁迫，又能产生生物活性生物碱（如吲哚二萜生物碱）增强植物对食草动物的抗性。然而，此前研究尚未探究在经历亚致死干旱事件后，Epichlo? 内生菌是否仍能保护宿主免受食草动物侵害。本研究以 Epichlo? sp. LpTG-3 菌株 AR37 为对象，利用其基因编辑变体（wt、?idtD、?idtM），系统分析了干旱胁迫后宿主生长、防御反应及微生物组的变化，旨在验证干旱不会损害能产生生物碱的 AR37 共生植物对昆虫抗性的假设。该研究发表于《Plant, Cell》。
**主要技术方法**
研究人员采用盆栽试验，将携带不同 AR37 遗传变体（wt、?idtD、?idtM）及无内生菌（nil）的多年生黑麦草植株，分为水分充足（W+）和水分亏缺（W-）处理，干旱处理5周后恢复浇水并接种禾谷缢管蚜5周。关键方法包括：利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）定量分析吲哚二萜生物碱、植物激素（ABA、IAA、JA、SA）及氨基酸；通过16S rRNA基因（V5-V7区）和ITS区域扩增子测序，表征地上部和根部的细菌与真菌群落组成；采用线性混合效应模型和置换多元方差分析（PERMANOVA）进行统计检验。
**研究结果**
1. **干旱对叶片含水量的影响**：干旱处理使叶片含水量平均下降46%。在干旱初期，?idtD 植株水分下降幅度小于 nil 和 wt；但干旱末期，?idtD 植株含水量恢复较慢，而 nil、wt 和 ?idtM 植株含水量有所上升。
2. **植物生长与蚜虫防御**：干旱阶段，所有 AR37 共生植株株高和地上部干重均高于 nil 植株，且干旱抑制了各植株生长。干旱恢复期，先前干旱（W-）处理促进植株株高补偿性增长，且 AR37 共生植株增长幅度大于 nil。蚜虫种群数量分析显示：干旱增加了 nil 和 ?idtM 植株上的蚜虫数量（即抗性降低），但未影响 wt 植株的抗性；干旱反而增强了 ?idtD 植株的抗性，使其蚜虫数量与 W+ 处理无差异。
3. **植物生物量**：干旱阶段，AR37 共生植株地上部干重高于 nil，根系干重受干旱抑制但无品种差异。干旱恢复期，wt 植株地上部干重最高，?idtD 和 ?idtM 居中间；根系干重中，除 ?idtM 外，其余植株仍受干旱抑制。
4. **内生菌生物碱浓度**：?idtM 植株中所有吲哚二萜生物碱缺失，?idtD 植株中环氧海因特雷姆（epoxyjanthitrems）缺失但中间产物（如萜草素（terpendoles））浓度升高。干旱处理增加了早期生物碱（paspaline 和 paxilline-like）及部分中间生物碱（如萜草素 E、I）浓度，但未影响 wt 植株中的环氧海因特雷姆浓度。干旱恢复期，干旱促进了 paxilline-like 浓度增加，而中间生物碱仅受 AR37 基因型影响（?idtD 高于 wt）。
5. **植物激素与氨基酸**：干旱阶段，干旱提高了 ABA 和 IAA 浓度，且 AR37 wt 植株中浓度最高；SA 和 JA 浓度受 AR37×干旱交互作用影响，wt 植株中下降。干旱促进脯氨酸、谷氨酸、亮氨酸等氨基酸积累，其中 wt 植株脯氨酸浓度最高。干旱恢复期，干旱仍提高 ABA 和 IAA 浓度，但总体水平低于干旱阶段；SA 和 JA 在 nil 和 ?idtM 植株中受干旱诱导升高。
6. **微生物组变化**：干旱阶段，细菌群落组成受 AR37×干旱交互作用影响，AR37 共生植株根部细菌群落对干旱敏感性低于 nil 植株。干旱恢复期，根部细菌群落变化类似。差异丰度分析显示，干旱增加了 13 个细菌类群的丰度，包括 Agrococcus、Chryseobacterium 和 Parcubacteria，以及 2 个真菌类群。这些细菌类群已知具有促进植物生长、固氮及抗氧化胁迫等性状。
**讨论与结论**
本研究表明，干旱未损害能产生吲哚二萜生物碱的 AR37 野生型和 ?idtD 共生植株对蚜虫的抗性，而缺乏生物碱的 nil 和 ?idtM 植株抗性下降。干旱增强 ?idtD 植株抗性可能与生物碱前体（如色氨酸）浓度升高导致的早期和中间生物碱积累有关。AR37 介导的干旱胁迫缓解主要归因于植物激素（ABA、IAA）和氨基酸（脯氨酸）的调控，而非根系生物量变化。此外，AR37 共生植株根部富集的 Agrococcus、Chryseobacterium 等细菌可能通过促生和抗逆机制进一步缓解干旱影响。结论强调，Epichlo? 内生菌通过化学防御和生理调节双重机制，保障植物在顺序遭遇干旱和昆虫食草时仍能维持适应性。
