整合代谢组学与农艺学分析揭示荧光假单胞菌生物投入品对Micro-Tom番茄（Solanum lycopersicum）模式系统的影响

《ACS Omega》：Integrative Metabolomic and Agronomic Analyses Reveal the Impact of Pseudomonas fluorescens-Based Bioinputs on the Micro-Tom Tomato (Solanum lycopersicum) Model System

　　

微生物生物刺激素（microbial biostimulants），即基于微生物的生物投入品（bioinputs），已成为在减少环境影响的同时提高作物产量和品质的替代方案。特别是，植物促生细菌荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）因其产生多种特殊代谢物（specialized metabolites, SMs）而在该领域展现出巨大应用潜力。该领域研究主要集中于活性细菌细胞的使用，其功效取决于宿主定殖的成功。在这方面，研究人员评估了来自荧光假单胞菌ATCC_13525的两种生物投入品（含活性与非活性细菌细胞）对Micro-Tom番茄生长、生产力、营养积累和代谢的处理效应。含活性细菌细胞的生物投入品对植物产生了一些有益效果，主要与通过叶面施用增加果实中钙（calcium, Ca）浓度相关。无细胞生物投入品主要促进了叶面积、根生物量以及果实中磷（phosphorus, P）和钼（molybdenum, Mo）浓度的增加。具体而言，其叶面施用表现出白利糖度（Brix degree）与生产力维持之间的平衡。对该方法处理的番茄叶片进行的非靶向代谢组学分析表明，酚酰胺（phenolamides）和甘油磷脂（glycerophospholipids）受到调节。另一方面，当通过土壤施用时，色氨酸（tryptophan）和吲哚类化合物lycoperodine-1的丰度增加。结果强调，无细胞配方在评估的施用条件下可调节植物反应并增强植物在某些方面的表现，表明无细胞微生物培养物中存在的代谢物对促进生长和改善果实品质具有重要的生物刺激效应。值得注意的是，这些发现证明，仅微生物代谢物即可驱动显著的植物反应，为可持续农业中的下一代生物投入品开辟了新视角。

随着可持续农业对作物产量与品质的双重需求，微生物生物刺激素成为研究热点。传统荧光假单胞菌制剂多依赖活性细胞在植物根际的定殖，但定殖效率受细菌活力制约，储运条件如温度、湿度变化易降低其有效性。无细胞培养物配方因稳定性高、便于标准化而成为潜在替代方案，然而同一菌株活性与非活性细胞生物投入品的直接比较研究仍缺乏，限制了对微生物代谢物与活菌定殖各自贡献的理解。为此，研究人员以Micro-Tom番茄为模式系统，制备了含荧光假单胞菌ATCC_13525活性细胞与不活性细胞的两种生物投入品，通过土壤或叶面施用，结合农艺性状测定与非靶向代谢组学分析，系统评估其效应。

关键方法方面，生物投入品由Rovensa Next Brazil提供，活性配方含10⁸ CFU/mL菌体，无细胞配方经离心过滤获得；Micro-Tom番茄种子取自圣保罗大学，在温室受控条件下栽培。主要技术包括基于液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）的非靶向代谢组学、主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、GNPS平台特征分子网络（FBMN）及SIRIUS结构预测；农艺参数涉及株高、根叶生物量、叶面积、气体交换、果实产量、白利糖度及矿质元素含量。这些方法为解析微生物代谢物与植物表型及代谢变化提供了支撑。

在“菌株在生物投入品中产生的特殊代谢物”部分，通过聚类分析与差异代谢物筛选，研究人员注释了12个在活性与非活性生物投入品间丰度差异显著的微生物代谢物，其中多数为植物激素或激素前体（如吲哚乙酸IAA、玉米素等），还包括抗菌物质环（Trp-Pro）和喹啉-4-羧酸。其中8-氧代-异戊烯基腺嘌呤与环（Trp-Pro）为荧光假单胞菌中首次报道，并通过GNPS公共谱库验证，扩展了该菌的代谢谱认知。

“处理对植物生长、水分利用效率、光合作用和生产率的影响”部分表明，含不活性细胞的生物投入品（P_inactive）对营养生长促进更明显：土壤施用（T4）使叶面积提高80%，叶片钼浓度增加68%；叶面施用（T5）使根鲜重增加57%、根干重增加26%，果实磷浓度增加21%。含活性细胞的生物投入品叶面喷施（T3）是唯一显著提高果实钙浓度（26%）的处理。所有处理均减少成熟果实数量，但T5在果实质量无显著下降的同时使白利糖度提高18%，显示出产量与品质之间的平衡。气体交换参数显示所有处理净光合速率降低，但水分利用效率未受影响。

“植物对生物投入品处理的代谢响应”部分中，叶片代谢组学显示，T4中色氨酸及吲哚衍生物lycoperodine-1含量增加，提示吲哚途径被激活；酚酰胺类代谢物如N-咖啡酰腐胺在T3和T4中发生改变；T3和T5中绿原酸等积累，T4和T5中paprazine降低；T3和T4中酚胺类多胺及核黄素水平下降，而T5中核黄素上升。这些代谢变化与农艺观测到的生长及品质效应存在关联。

讨论总结指出，无细胞生物投入品可单独驱动植物响应，其效果甚至优于含活菌产品，证明微生物代谢物是重要的生物刺激活性成分。不同施用方式产生差异化反应，叶面施用无细胞产品可在维持产量的同时改善果实品质，更具应用潜力。但所有处理均降低了果实数量，反映营养生长与生殖生长间的资源分配权衡。

结论翻译：研究人员评估了含活性与非活性荧光假单胞菌ATCC_13525细胞的两种生物投入品在受控条件下对Micro-Tom番茄生长、代谢及产量的影响。两种生物投入品的非靶向代谢组学分析注释了12种丰度改变的微生物特殊代谢物，多数与植物信号和生长调节有关。植物处理在根生物量和果实品质上表现较好：土壤施用无细胞产品（T4）提高叶片和果实钼浓度，叶面喷施活性细胞产品（T3）增加果实钙浓度。无细胞生物投入品的土壤和叶面施用（T4、T5）均促进根生长，并提高白利糖度和磷浓度。另一方面，所有处理均对生殖性能产生负面影响，导致果实产量降低；其中仅T5的成熟果实质量与对照无显著差异。气体交换分析未显示光合性能增强或水分状态改变。相反，植物代谢组学显示特殊代谢显著变化，尤其在T4和T5中，涉及吲哚、类黄酮、甘油磷脂、黄素和一些酚酰胺的调节。总之，无细胞生物投入品在Micro-Tom番茄中引发独特的生理和代谢反应，有助于改善营养生长和特定果实品质性状，推测与配方中生物活性代谢物的直接作用有关。然而，有益效应伴随产量下降，表明资源在营养生长与果实生产间分配失衡。这些结果凸显了植物对荧光假单胞菌生物投入品响应的复杂性，为基于不同细菌细胞活力的配方如何影响植物生理和代谢提供了新见解，有助于开发可持续农业中更安全、