《Forests》：Volatile Organic Compound Profiling Supports the Detection of Heterobasidion annosum Colonization in Scots Pine Wood
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异担子菌（Heterobasidion annosum）是针叶林最具破坏性的根腐病和干基腐病病原菌，在可见病害症状出现之前对其进行检测仍具挑战性。本研究采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME/GC–MS）技术，对异担子菌定殖的苏格兰松木材及真菌
异担子菌（Heterobasidion annosum）是针叶林最具破坏性的根腐病和干基腐病病原菌，在可见病害症状出现之前对其进行检测仍具挑战性。本研究采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME/GC–MS）技术，对异担子菌定殖的苏格兰松木材及真菌培养物顶空中的挥发性有机化合物（VOCs）进行了表征，并与未定殖松木及未接种培养基进行了比较。共检测到101个VOC信号，其中98个获得推定或暂定归属。定殖木材的谱最为多样，包含64个信号，而未定殖木材、真菌培养物和培养基分别为24、27和25个信号。对中心化对数比（CLR）转换的重复水平谱进行主成分分析和层次聚类分析，揭示了四种样品类型间 distinct 的组成模式。在探索性木材谱对比中，2-糠酸甲酯、异长叶烯和2-(2-呋喃基)-1-丙醇的全局错误发现率（FDR）校正q值低于0.05；2-甲基呋喃和β-巴贝烯的相应q值分别为0.0885和0.320。该研究为更广泛的实验和田间验证提供了初步的多组分相对VOC谱。
《Forests》论文解读：异担子菌定殖苏格兰松木材的挥发性有机化合物谱分析
一、研究背景与目的
异担子菌（Heterobasidion annosum）是北半球温带地区针叶林最具破坏性的真菌病原体之一，作为根腐病和干基腐病的致病因子，该病原菌通过降低木材品质和导致林分过早死亡，给林业造成重大经济损失。在斯堪的纳维亚地区，与异担子菌感染相关的损失每年估计达数亿欧元。该真菌主要通过新鲜伐桩表面感染树木，并通过根系系统传播，在松树和云杉林分中尤为危险。病原菌一旦定殖，会产生特征性的白色窝腐，从根部向干基原木蔓延，并可能向树干心材推进，严重损害云杉或冷杉的机械稳定性。异担子菌属物种在北半球共同感染超过30种针叶树宿主，每年从欧洲林业中移除估计价值8亿欧元的立木材积。除木材退化外，关键树种如苏格兰松和挪威云杉的死亡还会改变林分组成并促进次生害虫的发生。
异担子菌感染的早期检测面临重大挑战，因为冠层枯梢、生长减缓等病害症状通常仅在发病后期才显现。传统的基于形态学鉴定或生物学检测的诊断方法耗时且灵敏度不足。因此，学界对能够在更早感染阶段识别病原菌的分析技术兴趣日益浓厚。在森林林分中检测异担子菌属对于保护森林生态系统和林业管理至关重要，尤其是识别沿穿越林分道路生长的感染树木。异担子菌属引起的根腐病和干基腐病可能大幅降低树木稳定性，增加暴风雨和强风事件中树干折断或连根拔起的概率。倒伏树木曾多次造成道路堵塞、车辆和基础设施损坏，在某些情况下还导致严重伤害或死亡。因此，在可见症状出现前快速、非破坏性检测感染的方法，不仅对森林健康监测具有重要价值，对公共安全和风险管理也意义重大。
常规诊断目前依赖目视评估、真菌分离、分子鉴定以及日益增多的定量PCR（qPCR）和环介导等温扩增（LAMP）检测。目视检查成本低但通常只能检测到病害晚期阶段；培养法提供可靠的物种鉴定但需要破坏性取样和长时间实验室培养；分子技术灵敏度高、特异性强，但需要实验室基础设施、专用试剂以及从根或木材组织中提取生物材料，不一定适用于林分中的快速大规模调查。挥发性有机化合物（VOCs）谱分析可能提供一种补充方法，因为它能够非破坏性地检测与真菌定殖相关的代谢变化，并最终可适配便携式现场传感器或电子鼻技术。本研究旨在确定异担子菌定殖苏格兰松木材是否与特征性VOC谱相关，并识别可能支持未来非破坏性诊断方法开发的候选化合物，特别关注区分与真菌定殖相关的VOCs与来自松木和培养基的VOCs。
二、主要关键技术方法
研究人员采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME/GC–MS）技术分析四种制备样品类型：异担子菌定殖松木、未定殖松木、MEA上的真菌培养物和未接种MEA，每种类型三个独立分析样品，共12个色谱图。使用二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷（DVB/CAR/PDMS）吸附纤维在25°C下顶空萃取30分钟，随后在气相色谱进样口250°C解吸10分钟，采用HP-5MS色谱柱程序升温从35°C至250°C，质谱全扫描范围m/z 29–600。化合物注释通过比对电子轰击（EI）质谱与参考谱库及保留指数完成。统计分析采用Welch双样本t检验比较定殖与未定殖木材，使用Benjamini–Hochberg（BH）全局校正计算q值，并进行精确标签置换敏感性分析；多元分析采用中心化对数比（CLR）变换后的主成分分析（PCA）和层次聚类。菌株来源为波兰波兹南亚当·米茨凯维奇大学真菌培养物保藏中心，由Piotr ?akomy教授提供。
三、研究结果
VOC谱的多样性与组成差异
四种制备样品类型中共检测到101个VOC信号，其中98个获得推定或暂定归属，3个未鉴定。定殖木材、未定殖木材、真菌培养物和未接种MEA分别含有64、24、27和25个检测特征。定殖木材组成包含更广泛的呋喃衍生物、酯类和萜类混合物，而未定殖木材中3-辛酮和若干醛类相对贡献较大。真菌培养物谱以4-羟基-3-甲基-2-苯基-2-环戊烯-1-酮为主，而醛类和羧酸类对未接种MEA谱贡献显著。苯乙烯和四氯乙烯被归类为背景相关信号并从生物学分析中排除。
多元和单变量区分VOC谱
对CLR变换谱的重复水平PCA显示每种制备样品类型内三个分析样品紧密聚集，PC1解释59.8%、PC2解释23.7%的CLR方差（累计83.5%）。定殖木材主要沿PC1分离，真菌培养物样品主要沿PC2分化。重复水平层次聚类与PCA一致，每种类型内三个样品聚集在一起，未定殖木材和真菌培养物在较高分支水平上最接近，而定殖木材形成最独特的分支。热图显示30个CLR方差最大的特征。
在重复水平Welch比较中，99个测试特征中有41个全局校正q值低于0.05，其中30个在定殖木材中相对丰度较高，11个较低。精确置换敏感性分析显示最小可达双侧p值为0.1，所有全局q值不低于0.1，反映六样品标签置换的分辨率限制。
五个展示的VOC信号在定殖与未定殖木材比较中均具有正的平均差异：2-糠酸甲酯全局FDR校正q值为0.0242，异长叶烯为0.0242，2-(2-呋喃基)-1-丙醇为0.0293，2-甲基呋喃为0.0885，β-巴贝烯为0.320。差异筛选包含定殖木材中相对丰度较高和较低的特征，例如3-辛酮在定殖木材中占0.04%TIC，未定殖木材中占4.19%TIC，平均差异为-4.15个百分点。
四、讨论与结论
定殖木材比未定殖木材参考含有更多样化的顶空谱。呋喃衍生物、酯类和萜类相对贡献较高与真菌代谢和木质纤维素底物化学转化相容。顶空谱反映了真菌活性、热处理木材、接种物转移的培养基和采样环境的综合化学特征。%TIC值量化每个化合物在封闭谱中的相对贡献，校准内标将实现未来绝对定量。
与现有检测方法相比，基于VOC的诊断具有快速和非破坏性检测感染相关代谢过程的潜力，挥发性化合物可直接从周围空气采样而不损伤宿主组织，为未来便携式仪器和基于传感器的监测系统部署创造机会。目前研究正朝着现场特异性、校准和便携式传感器工作流程方向发展。VOC谱分析被定位为分子和培养诊断的研究阶段补充方法，外部验证可确立其在筛选和优先安排确认性检测标本方面的价值。
探索性五特征面板中，在99个特征的单一全局校正下，2-糠酸甲酯和异长叶烯q值为0.0242，2-(2-呋喃基)-1-丙醇为0.0293，2-甲基呋喃为0.0885，β-巴贝烯为0.320。2-糠酸甲酯和2-(2-呋喃基)-1-丙醇在两种木材类型中仅限于定殖木材，异长叶烯出现在定殖木材和真菌培养物中，这些模式与定殖相关的死木底物转化一致。多组分相对丰度模式提供了用于验证的主要候选特征。
在森林管理中的潜在应用方面，早期识别感染树木可支持森林管理者在可见症状出现前、根到根传播广泛发生前定位病害中心。验证后，VOC谱分析可作为初步筛选工具，用于优先安排树木或木材样本进行确认性分子或培养检测。另一个潜在应用涉及与道路、休闲场所和城市-森林界面附近树木风险评估的整合。
未来研究方向包括在独立分离株、供体树、比较真菌和定殖时间点上进行验证，校准测量和标准化分析质量控制可将相对谱扩展到定量比较。自然定殖活树的田间研究可量化诊断灵敏度和特异性，并建立便携式传感器和常规森林健康筛查的操作条件。
研究结论：在异担子菌定殖的苏格兰松木、未定殖松木、真菌培养物和未接种培养基中共检测到101个VOC信号，其中98个获得推定或暂定归属，3个未鉴定。定殖木材顶空显示最大的特征多样性。重复水平PCA和聚类描述了所提供样品间 distinct 的相对组成。在探索性定殖与未定殖木材比较中，99个特征中有41个全局q值低于0.05；在五个展示信号中，2-糠酸甲酯、异长叶烯和2-(2-呋喃基)-1-丙醇获得FDR支持，而2-甲基呋喃和β-巴贝烯未获支持。这些结果涉及相对%TIC组成，不确立绝对产生量或物种特异性生物标志物。该研究应被视为一个真菌培养物定殖灭菌死松木底物的初步表征，未匹配的木材参考、不确定的生物学独立性、小样本量、不同容器类型、推定鉴定、背景信号和组成归一化阻止因果或诊断性声明。需要匹配对照、额外分离株和供体树、比较真菌、真实标准品、定量校准和自然定殖活树的验证，才能将该谱评估为筛选工具。重复水平相对组成分析为自然定殖活树中更广泛的校准验证提供了基础。
