精胺调控冬小麦（Triticum aestivum L.）中 Fusarium culmorum 侵染：所选抗氧化相关基因的生化与转录响应

《Agronomy》：Spermine Modulation of Fusarium culmorum Infection in Winter Wheat (Triticum aestivum L.): Biochemical and Transcriptional Responses of Selected Antioxidant-Related Genes

　　

本研究探讨了以5 mM多胺精胺（Spm）进行种子引发对冬小麦在 Fusarium culmorum 侵染期间生化与转录响应的影响。研究人员通过两种病原体侵染途径测试了该引发处理在两个株龄组中的作用。在种子接种的植株中，F. culmorum 侵染诱导了严重的细胞损伤和氧化应激，表现为电解质渗漏、硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）和过氧化氢（H₂O₂）水平升高。病原体还通过提高还原糖、游离脯氨酸、总渗透活性溶质含量及过氧化物酶活性，同时抑制过氧化氢酶活性，触发了植株的代谢变化。另一方面，5 mM Spm种子引发显著减轻了这种病原体诱导的损伤。该引发处理有效降低了大多数氧化应激生物标志物，并减少了渗透调节物质的过度积累。Spm还恢复了受抑制的过氧化氢酶活性，稳定了超氧化物歧化酶活性，并改变了所测防御酶在病原体介导下的转录响应。此外，精胺引发增强了受侵染30日龄植株中谷胱甘肽S-转移酶活性。总体而言，这些发现表明，5 mM精胺种子引发通过优化抗氧化酶活性并将所研究的代谢参数恢复至接近对照水平，调节了小麦对 F. culmorum 的生理响应。

**论文解读：精胺种子引发对冬小麦抵御 Fusarium culmorum 侵染的生化与转录调控机制**

**1. 研究背景与目的**

冬小麦是保障全球粮食安全的重要作物，但土传病原真菌 Fusarium culmorum 可造成根腐病、冠腐病、苗枯病和赤霉病，并污染籽粒中的真菌毒素，严重威胁产量和食品安全。病原侵染会触发宿主组织内活性氧（reactive oxygen species, ROS）的爆发，导致膜脂过氧化、电解质渗漏和细胞损伤。由于国际上限制合成杀菌剂的使用，迫切需要开发可持续的植物保护策略。种子引发被认为能增强植物防御系统对后续病原攻击的响应速度和强度。精胺（spermine, Spm）作为多胺家族中的四胺，具有抑真菌活性、稳定细胞膜和清除自由基的能力，并可作为信号分子调节防御相关基因表达。然而，Spm引发对冬小麦在 F. culmorum 侵染条件下抗氧化系统的调控，特别是转录水平上的机制，尚未被充分研究。该论文发表于《Agronomy》，旨在通过测定胁迫生物标志物、渗透调节物质、抗氧化酶活性及相关基因表达，阐明5 mM Spm种子引发提高小麦对 F. culmorum 系统耐受性的机制。研究人员假设，Spm种子引发可通过调节抗氧化酶活性及相关基因表达，减轻 F. culmorum 诱导的氧化损伤。

**2. 关键技术方法**

研究人员选用保加利亚六倍体小麦品种 Sadovo-1 的种子，种子来源于保加利亚农业科学院“Konstantin Malkov”植物遗传资源研究所；F. culmorum 菌株由保加利亚农业科学院“Nikola Poushkarov”土壤科学、农业技术与植物保护研究所提供。实验设置6个处理：对照、5 mM Spm引发、种子接种 F. culmorum、土壤接种 F. culmorum、Spm引发+种子接种、Spm引发+土壤接种。试验在温室盆栽条件下进行，并在春季和秋季重复。主要技术方法包括：电导率仪测定电解质渗漏（electrolyte leakage, EL），分光光度法测定硫代巴比妥酸反应物质（thiobarbituric acid reactive substances, TBARS）、过氧化氢（H₂O₂）、还原糖、游离脯氨酸、硫醇类化合物及多种抗氧化酶活性，冰点渗透压计测定总渗透活性溶质；利用实时荧光定量PCR（RT-qPCR）检测8个抗氧化相关基因（SOD Cu-Zn、SOD Fe、SOD Mn、CAT3、CATA、GR、POD1、POX2）的相对表达量，并以α-tubulin和延伸因子1-α为内参；数据采用单因素方差分析及Duncan多重比较检验（p < 0.05）进行统计分析。

**3. 主要研究结果**

**3.1 精胺种子引发降低 F. culmorum 侵染小麦中胁迫生物标志物与渗透调节物质含量**

通过测定EL、TBARS和H₂O₂发现，F. culmorum 侵染显著增加细胞膜损伤和氧化应激，尤其以8周龄植株和种子接种处理最为明显。单独Spm处理不影响膜完整性；而Spm引发可显著降低侵染植株中这些胁迫标志物的含量。在代谢方面，病原侵染提高了还原糖、游离脯氨酸和总渗透活性溶质含量；Spm引发则使这些指标向对照水平恢复，表明其有助于维持植株的代谢平衡和渗透调节能力。

**3.2 精胺种子引发调节抗氧化防御系统**

酶活性测定和基因表达分析显示，F. culmorum 侵染提高了超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）总活性，但抑制了多个SOD基因亚型的转录；Spm引发使SOD活性趋于稳定，并在不同株龄和侵染方式下差异性地调节SOD Cu-Zn、SOD Fe和SOD Mn的表达。病原显著抑制过氧化氢酶（catalase, CAT）活性，而Spm引发可将其恢复至对照水平；CAT3和CATA基因表达表现出复杂的年龄和组织特异性变化。愈创木酚过氧化物酶活性在侵染后升高，Spm引发大多使其回落至对照；POD1和POX2转录水平总体受病原抑制，Spm可在部分处理中恢复POD1表达。谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase, GR）活性在侵染后趋于升高，Spm引发在8周龄种子接种处理中使其恢复至对照水平；GR转录表达在不同处理间变化不一致。30日龄植株中，Spm引发显著提高谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase, GST）活性，并恢复病原导致的硫醇类化合物含量下降；8周龄植株各处理间无显著差异。

**4. 讨论总结**

讨论部分指出，F. culmorum 侵染通过诱导ROS过量积累引发膜脂过氧化和电解质渗漏，同时促进渗透调节物质积累。精胺的 protective 效应可能源于其抑真菌作用以及对宿主抗氧化防御的增强。研究观察到某些抗氧化酶活性与其对应基因转录水平不完全一致，提示小麦作为六倍体植物存在复杂的基因家族冗余和转录后调控。Spm种子引发能够在转录层面阻止病原体对防御基因的抑制，并使光合相关过程维持稳定。

**5. 研究结论**

本研究提供了冬小麦经5 mM精胺种子引发后接种 F. culmorum 的转录和生化响应新信息。数据支持研究人员此前的发现，即Spm引发的植株维持了光合功能，这与胁迫标志物水平降低和酶活性更接近对照相一致。研究表明，F. culmorum 影响抗氧化相关基因 SOD Cu-Zn、SOD Fe、SOD Mn、POD1、POX2、CATA和CAT3的转录响应；Spm引发改变了病原体对这些防御酶的转录调控，提高了GST活性，并在受侵染的幼龄植株中恢复硫醇化合物水平。精胺预处理使脯氨酸、还原糖和总渗透活性物质回归对照水平，使宿主植物能够保持代谢储备并抵御真菌侵染。总体而言，5 mM精胺引发有利于植株在 F. culmorum 侵袭下达到生理稳定性。未来研究可扩展至其他小麦品种、不同真菌病原体及多胺类型或浓度，并在田间条件下验证；还可进一步分析真菌毒素、水杨酸和多胺含量以及病程相关蛋白基因表达，以深化对精胺保护机制的认识。