《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Beyond a dual role: how Purpureocillium lilacinum reprograms citrus metabolism for integrated biocontrol and growth promotion
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背景：植物栖息着复杂的微生物群落，这些微生物对其健康和生产力至关重要。其中，内生真菌如Purpureocillium lilacinum可建立互惠共生关系，作为植物生长促进剂和生物防治剂提供双重益处。然而，该真菌在柑橘栽培中的潜力及其与柑橘宿主相互作用的代谢动
背景：植物栖息着复杂的微生物群落，这些微生物对其健康和生产力至关重要。其中，内生真菌如Purpureocillium lilacinum可建立互惠共生关系，作为植物生长促进剂和生物防治剂提供双重益处。然而，该真菌在柑橘栽培中的潜力及其与柑橘宿主相互作用的代谢动力学尚待探索。本研究采用整合的双代谢组学方法（dual metabolomics approach）探究P. lilacinum与酸橙（Citrus aurantium）之间的共生关系。研究人员假设该真菌通过其自身生物活性代谢物以及系统性重编程宿主代谢来增强植物表现。为验证此假设，研究人员表征了体外真菌代谢组（in vitro fungal metabolome），评估了体内（in vivo）植物生长促进效果，并分析了宿主组织中的代谢组学变化（metabolomic shifts）。结果：结果揭示了一种多层次的作用模式。Purpureocillium lilacinum通过营养增溶和植物激素调节直接刺激植物生长。同时，该真菌与宿主进行活跃的代谢交叉对话（metabolic cross-talk），重编程初级代谢，例如脯氨酸和精氨酸等氨基酸的空间重新分布，并激活次级防御途径。真菌代谢组还揭示了一个直接的生物防治武器库，包括昆虫调节性苯乙酮（acetophenone）和杀虫生物碱槟榔碱（arecoline），强调其即时拮抗能力。结论：这些发现为P. lilacinum-柑橘相互作用的生化机制提供了新见解。它们证实了该真菌在协调柑橘生长与防御协同反应中的作用，突显其作为柑橘生产系统可持续、多功能生物接种剂的巨大潜力。? 2026 The Author(s). Journal of the Science of Food and Agriculture由John Wiley & Sons Ltd代表Society of Chemical Industry出版。
**论文解读：Purpureocillium lilacinum重编程柑橘代谢实现整合生物防治与生长促进的多层机制**
**研究背景与问题**
植物根际、叶际和内际中栖息着复杂多样的微生物群落，这些微生物对维持植物健康和优化农业生产力至关重要。内生真菌作为其中一类重要类群，能与宿主建立互惠共生关系，通过产生多种生物活性次级代谢物（如生物碱、多酮、萜类、酚类化合物）发挥抗菌、抗真菌、杀虫及促进植物生长的功效。Purpureocillium lilacinum（原名Paecilomyces lilacinus）属于线虫草科（Ophiocordycipitaceae），常见于土壤和根际，因其兼具生物防治和植物生长促进（PGP）的双重作用而备受关注。该真菌对根结线虫（Meloidogyne javanica）、真菌病原体（如Sclerotinia sclerotiorum、Penicillium digitatum、Verticillium dahliae、Phytophthora capsici、Phytophthora infestans）以及多种害虫（如Ceratitis capitata、Myzus persicae、Scirtothrips dorsalis、Anastrepha ludens）均表现出广谱活性，其作用机制涉及细胞壁降解酶、抗菌化合物、挥发性有机物及脂肪酸等。然而，在系统层面理解P. lilacinum如何通过其代谢武器库直接协调宿主植物代谢重编程以实现整合生长与防御的知识仍存在关键空白。对于柑橘（Citrus spp.）这类全球总产量超过1.4亿吨、面临病原体和盐碱等非生物胁迫压力的多年生经济作物而言，这一知识空白尤为突出。在突尼斯，酸橙（Citrus aurantium L.）是重要栽培品种，占地480公顷，主要用于花卉副产品。因此，开展本研究旨在阐明P. lilacinum与酸橙共生的生化基础，为其在柑橘生产中的可持续应用提供依据。论文发表在《Journal of the Science of Food and Agriculture》。
**研究人员开展的研究与结论**
研究人员采用双代谢组学方法（dual metabolomics approach），系统探究了P. lilacinum与酸橙的相互作用。首先，在体外表征了真菌的代谢组和生长促进特性（包括磷酸盐增溶、铁载体产生、吲哚-3-乙酸（IAA）合成）；其次，在温室条件下评估了接种真菌对植物生长参数（生物量、株高、叶数、光合色素）的促进效果；最后，通过非靶向液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）分析，比较了接种与未接种植物叶片、茎和根中的代谢组变化。结果证实，P. lilacinum通过三重策略发挥作用：直接提供生长促进和拮抗代谢物、启动系统性重编程宿主初级代谢的代谢对话、以及激发植物次级防御代谢的空间组织化。该研究首次揭示了P. lilacinum在柑橘中协调生长与防御协同反应的生化机制，强调了其作为多功能生物接种剂的巨大潜力，为可持续柑橘生产提供了代谢组学指导的菌株筛选与监测框架。
**主要关键技术方法**
研究人员使用了以下关键方法：
1. 真菌与植物材料来源：P. lilacinum菌株分离自突尼斯纳布勒省柑橘园土壤；酸橙（C. aurantium）种子取自突尼斯阿里亚纳省Sidi Thabet地区。
2. 体外PGP特性测定：采用磷钼蓝法测定磷酸盐增溶能力；铬天青S（CAS）法测定铁载体产量；Salkowski比色法测定IAA产量。
3. 植物接种与表型评估：种子浸泡和土壤浇灌接种（1×10? conidia mL?1），温室条件下（22±3°C，40–50%相对湿度，16:8 h光暗周期）培养1年后测定鲜重、干重、株高、叶数及光合色素（叶绿素a、b、总叶绿素、类胡萝卜素）。
4. 代谢组学分析：采用冷丙酮法和甲醇/水法分别提取真菌和植物组织（叶片、茎、根）代谢物，利用超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC–MS/MS）进行非靶向代谢组学分析。数据处理采用Compound Discoverer 3.3，统计分析使用MetaboAnalyst 6.0，包括正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）、变量重要性投影（VIP）分数、火山图和层次聚类热图。
**研究结果**
*成功定殖确认*：通过PCR扩增特异性真菌DNA片段，证实P. lilacinum成功定殖于酸橙植株组织内，对照植株无扩增产物。
*植物生长促进特性*：P. lilacinum在液体培养中表现出时间依赖性的磷酸盐增溶能力，第8天达峰值约213–250 mg L?1（P<0.001）；铁载体产量在96 h显著增加至51.9%（P=0.0415），随后稳定；IAA合成在168 h达到显著水平（P<0.001），表明该真菌具有促进养分获取和激素调节的内在能力。
*植物生长参数*：接种后，处理组植株鲜重比对照组高78%（7838 mg vs 4416 mg，P<0.0001），地上部鲜重和干重均翻倍，株高增加20%（P<0.001），叶片数增加30%（P<0.01），表明该真菌显著促进酸橙营养生长。
*光合色素增强*：接种后，叶绿素a（Chl a）含量增加214%（557.5 μg g?1 FW vs 177.2 μg g?1 FW，P<0.001），叶绿素b（Chl b）几乎增加三倍，总叶绿素（Chl t）超过1000 μg g?1 FW，类胡萝卜素含量翻倍（733.0 μg g?1 FW vs 350.3 μg g?1 FW，P<0.001），说明真菌通过改善光合性能促进生长。
*真菌代谢组学特征*：LC–MS/MS分析鉴定出70种代谢物，分为9个化学类别，其中有机酸及其衍生物占主导（50%），包括氨基酸、有机酸及衍生化合物；其次为有机杂环化合物（17.1%），含核苷碱基、维生素和吲哚衍生物。通路富集分析显示精氨酸和脯氨酸代谢、谷胱甘肽代谢和嘌呤代谢显著富集，提示这些通路在真菌生长、胁迫响应和能量代谢中起核心作用。
*柑橘代谢重编程的全局判别*：OPLS-DA得分图显示，接种与对照植株在叶片、茎和根中均呈现清晰分离，分别解释87.8%、76.5%和76.6%的变异，模型拟合度（R2Y=0.996）和预测能力（Q2Y=0.99）高，表明真菌诱导了系统性、强效的代谢重编程。
*关键判别代谢物*：VIP分析确定了各组织中的关键差异代谢物。叶片中槲皮素（quercetin）是最显著生物标志物（VIP=2.3），伴随香叶木素（diosmetin）、伞形酮（umbelliferone）和滨蒿内酯（scoparone）等黄酮类和香豆素类化合物上调；茎中主要特征为没食子酸（pyrogallol，VIP>3.5）和异阿魏酸（isoferulic acid）上调；根中以L-焦谷氨酸（l-pyroglutamic acid，VIP=3.7）和反式-Δ2-11-甲基-十二碳烯酸（trans-Δ2-11-methyl-dodecenoic acid）为区分特征，同时山奈酚（kaempferol）和橙皮素（hesperetin）等防御相关化合物具有高VIP值。
*层次聚类与系统性分布*：层次聚类热图显示，酚类和聚酚类化合物（如槲皮素、山奈酚、香叶木素、东莨菪内酯（scopoletin）、滨蒿内酯）在叶片中积累，表明苯丙烷和类黄酮通路激活，与系统获得性抗性（SAR）和抗氧化保护相关；氨基酸（脯氨酸、精氨酸、缬氨酸、谷氨酰胺）主要在根和茎中富集，反映氮同化增强、渗透调节和源-库养分再分配；生物碱、萜类、内酯类化合物在叶片和根中诱导积累，与诱导系统抗性（ISR）和抗菌驱虫活性一致；脂质谱显示脂肪酸和信号脂质（如α-桐油酸（α-eleostearic acid）和N-酰基乙醇胺（N-acylethanolamines））的协调调控，表明膜重塑和脂质介导的防御信号。
*火山图分析*：叶片中61个代谢物显著变化（31个上调，30个下调），上调最显著的是槲皮素（log?FC=9.07）、香叶木素（8.42）、滨蒿内酯（8.03）、伞形酮（8.38）和山奈酚（7.26）；下调最显著的是麦芽酚（maltol，log?FC=-8.46）、2-羟吲哚（-4.63）等。茎中15个代谢物显著变化（13个上调，2个下调），上调最显著的是没食子酸（8.64）、异阿魏酸（7.85）等。根中12个代谢物显著变化，包括胍甲碱（guvacoline，5.56）、2-氨基-4-甲基嘧啶（5.54）、芹菜内酯（sedanolide，5.06）等上调，以及L-焦谷氨酸（-9.57）、反式-Δ2-11-甲基-十二碳烯酸（-7.31）等下调和L-谷氨酸（-3.53）等。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出，P. lilacinum通过三重协同策略增强柑橘表现：第一层直接提供生长促进和拮抗代谢物，包括磷酸盐增溶、铁载体产生、IAA合成，以及真菌代谢组中检测到的苯乙酮（acetophenone）和槟榔碱（arecoline）等具有杀虫和抗菌特性的化合物；第二层启动代谢对话，系统性重编程宿主初级代谢，如脯氨酸从根向地上部的源-库转运以支持渗透调节和光合作用，精氨酸和鸟氨酸的积累导向多胺合成进而调控防御信号；第三层激发植物次级防御代谢的空间组织化，包括叶片中类黄酮和香豆素的积累（如槲皮素、山奈酚、滨蒿内酯）增强抗氧化和抗菌防御，茎中阿魏酸和没食子酸加固细胞壁屏障，根中防御化合物的积累。这些发现表明，P. lilacinum通过共享代谢物（如脯氨酸、精氨酸、多胺）与宿主建立一体化生理网络，同时提供直接生物防治武器库。研究还提出了代谢组学指导的菌株筛选框架和田间监测生物标志物（如脯氨酸再分布、精氨酸积累、槲皮素和山奈酚增加），并建议在接种后2–3个月和6个月进行两次评估。
**结论翻译**：P. lilacinum及其柑橘宿主的整合代谢组学轮廓揭示了一种复杂的、多层次的作用模式，该模式将直接刺激与系统性启动协同起来。这种相互作用通过三种互补机制运作：第一，真菌通过增溶养分、调节如IAA等激素以及提供必需代谢物直接增强生长活力，改善根系结构和生物量；第二，真菌通过诱导和共享关键代谢物（如哌啶酸（pipecolic acid）和多胺）系统性启动植物防御，使植物对生物胁迫的免疫反应更快、更强；第三，真菌采用直接生物防治武器库，其代谢组含有如槟榔碱和苯乙酮等具有明确抗菌和昆虫调节特性的化合物，用于直接拮抗。这种三重功能同时增强宿主健康并激活多层面防御，为在日益增加的害虫压力和减少农药依赖情况下进行可持续柑橘栽培提供了一种特别有价值且具有韧性的策略。
