DIMBOA和褪黑素在小麦与假芽孢杆菌之间形成一种招募反馈机制，以缓解除草剂带来的压力

《Journal of Hazardous Materials》：DIMBOA and melatonin mediate a recruitment feedback loop between wheat and Bacillus pseudomycoides to alleviate herbicide stress

　　

摘要

除草剂残留会破坏土壤、植物与微生物之间的相互作用，威胁农业的可持续性，但植物如何主动招募有益微生物以减轻胁迫仍不明确。本研究揭示了一种由代谢物介导的招募机制：小麦在受到乙磺隆胁迫时会分泌DIMBOA和褪黑素，以此招募Bacillus pseudomycoides A3菌株，多项横断面研究为这种自我强化的反馈机制提供了证据。趋化性实验表明，在与环境相关的浓度下，DIMBOA和褪黑素对A3菌株具有很强的引诱作用。在乙磺隆胁迫下，A3菌株会在叶片中显著上调关键生物合成基因（上调幅度达265.7%），在根部则上调基因（上调幅度为23.1%），从而提升DIMBOA和褪黑素的产量。这种由代谢物介导的招募反馈循环能够直接降低植物组织中的乙磺隆残留量（12.8-19.6%），通过增加有益微生物种类并增强植物的代谢防御能力，优化根际微生物群落。我们的研究结果表明，植物可通过代谢物介导的微生物招募机制主动调节根际微生物的免疫功能，为开发针对受除草剂污染的农业土壤的绿色生物修复策略提供了新的思路。

章节节选

引言

磺酰脲类除草剂因其高效性和经济价值，被广泛用于全球小麦田的杂草控制[1]。然而，不合理使用磺酰脲类除草剂会抑制植物的生长和发育，造成作物氧化损伤，扰乱植物和微生物的代谢过程，进而降低作物品质[2]。残留在土壤中的除草剂还可能对后续种植的作物产生生长毒性，同时造成环境和生态污染[3]。研究表明，磺酰脲类除草剂……

细菌菌株的采样与分离

土壤样本采集自中国北京的尚庄试验田（东经116°09'26"，北纬40°04'33"）。该土壤属于Flav-aquic类型，pH值为8.3，有机质含量为12.1克/千克，有效磷浓度为6.1毫克/千克，总氮含量为0.087%，有效钾浓度为70.4毫克/千克[1]。在田间试验中，根据德国生物联邦研究所、联邦品种管理局和化学工业协会的BBCH分类标准，设置了不同浓度的……

B. pseudomycoides A3的鉴定与特征分析

图2A展示了微生物群落的分离与鉴定过程。室内驯化与田间筛选的结果一致。系统发育分析显示，该菌株与B. pseudomycoides物种的遗传相似度高达99%（见图2B），其在中国通用微生物培养物保藏中心的编号为CGMCC 1.65162。扫描电子显微镜观察显示，A3菌株的菌落形态较短且……

讨论

本研究揭示了小麦通过根部分泌的DIMBOA和褪黑素这两种代谢物，主动招募有益细菌Bacillus pseudomycoides A3，从而缓解乙磺隆胁迫的一种此前未被认识到的机制。重要的是，我们的数据支持一种逻辑自洽的反馈机制：接种A3菌株后会促使小麦根部显著上调基因（上调幅度为111.2%）和基因（上调幅度为23.1%）（见图6、图7），进而提升DIMBOA和褪黑素的产量，这种正向反馈又进一步强化了微生物的招募过程。

结论

总之，本研究建立了小麦与Bacillus pseudomycoides A3之间通过DIMBOA和褪黑素介导的招募机制，该机制有助于缓解乙磺隆胁迫。化学趋化性分析、代谢组学分析、转录组学分析以及微生物组学分析结果均支持存在这种自我强化的反馈机制。趋化性实验证实，在与环境相关的浓度下，这两种代谢物都具有很强的引诱作用。接种A3菌株会促使小麦上调关键的生物合成基因……

CRediT作者贡献说明

周春然：撰写——初稿、方法学、研究实施、数据整理。潘灿平：指导、概念设计。张涛：指导、正式分析。苗佩娟：可视化、研究实施。万晓颖：可视化、验证。李东：撰写——审阅与编辑、验证、正式分析。

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

在撰写本论文的过程中，作者未使用任何AI辅助技术。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢“海南省南海新兴之星计划第二批科技创新人才项目（NHXXKJCX202505）”、“安徽省院士工作站，文件编号：WKCM〔2024〕369（合作院士：潘灿平，俄罗斯工程院院士）”以及“海南省自然科学基金（325QN229）”提供的资金支持。

备注

作者声明不存在任何利益冲突。

周春然|潘灿平|张涛|苗佩娟|万晓颖|李东

中国河北省邯郸市河北工程大学景观生态工程学院，邮编056038