# 根系分泌物介导的植物化学通讯诱导小麦苯并噁嗪类化合物合成并抑制蚕豆枯萎病菌活性

《Journal of Agriculture and Food Research》：Root exudate-mediated plant chemical communication induces benzoxazinoid synthesis in wheat and suppresses Fusarium oxysporum f. sp. fabae activity in faba bean

　　

小麦与蚕豆间作系统中，根系分泌物介导的植物化学通讯被证实为一种有效的病害防控策略。间作系统通过植物间的化学识别与通讯机制发挥病害调控作用，其中根系分泌物作为化学信号在非寄主与寄主植物之间建立关联。在胁迫条件下，植物激活“自我救助”与“相互救助”两种应对策略，根系分泌物中的信号分子和次生代谢物向周围环境传递“胁迫”信号，从而增强胁迫适应性，这一现象称为“求助信号”（call for help）。本研究以小麦-蚕豆间作系统为模型，旨在阐明蚕豆根系信号在调控小麦苯并噁嗪类化合物（benzoxazinoids, BXs）生物合成与积累中的作用，并明确BXs对蚕豆枯萎病菌尖孢镰孢菌蚕豆专化型（Fusarium oxysporum f. sp. fabae, FOF）的抑制贡献。研究通过水培盆栽试验结合非靶向代谢组学分析，筛选并验证了蚕豆根系分泌物中的信号物质；通过土壤培养盆栽试验测定了外源信号物质对小麦BXs含量的影响；通过室内培养试验评估了小麦根系对FOF孢子的趋化作用及BXs对FOF生长活性的影响。采用高效液相色谱（high performance liquid chromatography, HPLC）技术测定了BXs及信号物质含量。通过偏最小二乘判别分析（partial least squares discriminant analysis, PLS-DA）和KEGG代谢通路富集分析筛选差异代谢物。结果表明，在生物胁迫（FOF）和非生物胁迫（肉桂酸）及复合胁迫条件下，蚕豆根际类黄酮生物合成、异黄酮生物合成、植物激素信号转导等代谢通路显著富集。茉莉酸、水杨酸和尿囊素被鉴定为响应胁迫的关键信号物质，且在间作条件下其分泌量较单作显著增加。外源施加这3种信号物质可显著提高小麦叶片和根际土壤中DIMBOA（2,4-二羟基-7-甲氧基-1,4-苯并噁嗪-3-酮）和MBOA（6-甲氧基-苯并噁唑啉-2-酮）的含量。小麦根系对FOF孢子表现出显著的趋化吸引作用，孢子在小麦根际的积累量随时间增加。BXs以浓度依赖性方式显著抑制了FOF的生物膜形成、菌丝生长并诱导孢子凋亡囊泡增加，同时促进了蚕豆种子的萌发和幼苗生长。田间和盆栽试验进一步证实，间作系统中蚕豆根系信号物质的分泌显著上调。研究表明，蚕豆通过分泌JA、SA和尿囊素向小麦发出“求助信号”，诱导小麦增强BXs的合成与分泌，BXs通过“吸引-杀灭”策略抑制FOF的生长和发育，从而降低蚕豆枯萎病的发生，这为理解间作系统病害调控的化学通讯机制提供了新的见解。

# 小麦-蚕豆间作系统中根系分泌物介导的化学通讯调控小麦苯并噁嗪类化合物合成及抑制蚕豆枯萎病菌的机制研究

## 一、研究背景与科学问题

间作作为一种被广泛认可的作物病害防控策略，其作用机制涉及多个层面且十分复杂。其中，植物间的化学识别与通讯是核心机制之一——根系分泌物充当化学信号，在非寄主植物与寄主植物之间建立功能联系。当植物面临胁迫时，通常会激活“自我救助”与“协同救助”两种应对策略，而根系分泌物所调控的微生物生态在实现“协同救助”中发挥关键作用。分泌物中的信号分子和次生代谢物向周围环境（包括其他植物和微生物）传递“胁迫”信号，从而增强胁迫适应能力，这种现象被称为“求助信号”。已有研究表明，在辣椒-玉米间作体系中，辣椒根系分泌物释放的胁迫信号可诱导玉米根系和叶片中苯并噁嗪类化合物（benzoxazinoids, BXs）的生物合成及相关基因表达，从而降低病害发生率。然而，小麦-蚕豆间作系统中“求助信号”的具体化学信号分子身份、信号感知与传递路径以及BXs对蚕豆枯萎病菌尖孢镰孢菌蚕豆专化型（Fusarium oxysporum f. sp. fabae, FAB）的抑制机制尚缺乏系统研究。因此，该研究以小麦-蚕豆间作系统为模型，旨在鉴定蚕豆根系分泌的关键信号物质，验证其对小麦BXs合成的诱导效应，并阐明BXs对FOF的抑制机制及对宿主作物生长的影响，从而从非寄主-寄主根系-病原菌互作的角度揭示间作体系抑制枯萎病的化学机制。

## 二、研究概述与结论

研究人员以“玉溪大粒豆”蚕豆品种和“云麦112”小麦品种为试验材料，通过田间试验（2022年10月至2023年4月，云南省玉溪市峨山县）、水培盆栽试验（2023年10月至12月）、土壤培养盆栽试验（2024年10月至11月）和室内培养试验相结合的方式开展研究。田间试验设单作和间作两种种植模式；水培盆栽试验设单作（M）和间作（I）两种种植模式，并设置了生物胁迫（FOF）、非生物胁迫（肉桂酸）和复合胁迫（FOF+肉桂酸）处理；土壤培养试验采用小麦单作并外源施加不同浓度的信号物质。通过非靶向代谢组学分析鉴定了蚕豆根系分泌物中的差异代谢物，筛选并验证了关键信号物质，进而评估了外源信号物质对小麦BXs的诱导效果以及BXs对FOF的抑制活性和对蚕豆种子萌发的影响。研究最终揭示了蚕豆在胁迫下通过分泌特定信号物质向小麦发出“求助信号”，诱导小麦增强BXs的防御性次生代谢，并通过“吸引-杀灭”策略抑制FOF的机制。

## 三、关键技术方法

该研究采用了多学科交叉的技术体系，主要包括：利用水培试验结合LC-MS非靶向代谢组学分析技术对蚕豆根系分泌物进行差异代谢物筛选与KEGG通路富集分析；采用偏最小二乘法判别分析（PLS-DA）作为监督判别方法进行多变量统计分析，以VIP≥1、t检验p<0.05和差异倍数FC≥1为标准筛选差异代谢物；运用高效液相色谱技术定量测定植物激素和BXs（包括DIMBOA和MBOA）含量；通过孢子在毛细管微流控装置中的分布实验评估小麦根系对FOF孢子的趋化作用；采用FITC-ConA染料染色和Hoechst 33342/PI双染法分别检测FOF生物膜形成和孢子凋亡；通过种子萌发试验评估BXs对蚕豆种子萌发特性（发芽势、发芽指数、活力指数和苗长）的影响。各处理均设3次生物学重复，采用SPSS 26.0进行单因素方差分析并结合LSD法进行多重比较。

## 四、研究结果

### 4.1 蚕豆根系分泌物中诱导BXs合成的信号物质筛选

通过水培试验对蚕豆根系分泌物进行非靶向代谢组学分析，PLS-DA模型显示各组样本在95%置信区间内明显分离，模型可靠性高。以VIP≥1、p<0.05、FC≥1为标准筛选差异代谢物，结果表明，与单作（M）相比，MC处理共鉴定出721种差异代谢物（503种上调，218种下调），MC处理186种（111种上调，75种下调），MFC处理772种（672种上调，100种下调）。在肉桂酸与病原菌双重胁迫下，IFC处理组检测到734种差异代谢物（486种上调，248种下调）。KEGG富集分析显示，不同处理组合下类黄酮生物合成、异黄酮生物合成、植物激素信号转导和α-亚麻酸代谢通路均显著富集。进一步筛选发现，茉莉酸（jasmonic acid, JA）、水杨酸（salicylic acid, SA）、尿囊素和木犀草素在生物胁迫和非生物胁迫及复合胁迫下均为蚕豆根系分泌的一致上调代谢物。定量测定结果证实，与M相比，MC、MF和MFC处理的这4种物质分泌量分别增加了21.48%-42.15%、16.08%-29.23%和39.26%-88.31%。在不同环境胁迫下，间作处理（I、IC、IF、IFC）较单作使JA含量增加了11.53%-18.47%、SA增加了5.50%-17.13%、尿囊素增加了10.46%-19.76%、木犀草素增加了11.32%-35.80%。这些结果表明，JA、SA、尿囊素和木犀草素是蚕豆在响应胁迫时释放的关键信号物质，在小麦-蚕豆间作系统中起着“求助信号”功能。

### 4.2 外源信号物质对小麦BXs含量的影响

从蚕豆根系分泌物中选取JA、SA和尿囊素3种信号物质进行外源施加验证。以实际检测浓度为基准设置处理浓度梯度（JA：100、150和200 μg/g；SA：25、50和75 μg/g；尿囊素：25、50和75 μg/g）。土壤培养试验结果显示，与CK相比，外源JA使小麦叶片组织中DIMBOA和MBOA含量显著增加了12.56%-68.07%和11.46%-49.78%；SA处理使DIMBOA和MBOA含量分别增加了32.74%-96.09%和15.39%-59.80%；尿囊素处理使两种BXs含量分别增加了22.11%-49.24%和19.76%-47.54%。在根际土壤中，JA处理使BXs含量较对照组增加5.08%-19.65%和4.76%-35.93%，SA处理使含量增加6.40%-25.61%和9.52%-38.10%，尿囊素处理使含量显著提高8.61%-36.20%和6.93%-29.65%。这些结果表明，蚕豆根系分泌的这3种信号物质可有效诱导小麦叶片中BXs的合成并促进其向根际土壤的分泌。

### 4.3 小麦根系对FOF孢子的趋化作用

室内培养试验采用微流控装置评估了小麦根系对FOF游动孢子的趋化行为。研究发现，FOF孢子能够在根际区域累积，且随时间的延长累积量逐渐增加，在20分钟视野下观察到的孢子数量最多。这表明小麦根系对FOF孢子具有明显的趋化吸引力，即小麦根系可主动将FOF孢子吸引至根际区域。

### 4.4 BXs对FOF生长活性的影响

BXs处理后，与对照组相比，荧光成像显示FOF生物膜形成显著减少，且随着BXs浓度的升高，生物膜形成量逐渐降低，在150 μg/mL时达到抑制效果最为明显，说明BXs能显著抑制FOF生物膜的发育且具有浓度依赖性抑制梯度。经BXs处理后，用PI染料对FOF孢子进行染色，结果表明BXs处理后FOF孢子中出现亮点橘红色荧光的凋亡孢子囊泡数量呈现浓度依赖性增加趋势，提示BXs能诱导孢子凋亡。BXs处理可浓度依赖性地降低FOF菌丝生物量，与对照组（0 μg/mL）相比，DIMBOA和MBOA处理后菌丝生物量分别减少了6.45%-37.93%和7.20%-38.04%，在150 μg/mL处理下抑制效果最强。

### 4.5 BXs对蚕豆种子萌发的影响

在无胁迫条件（N）下，与CK相比，DIMBOA处理显著促进了发芽势、发芽指数、活力指数和幼苗长度分别提高11.78%-58.84%、6.45%-32.26%、112.90%-898.39%和168.67%-614.46%；MBOA处理的各项指标分别提高5.55%-44.45%、3.13%-25.00%、132.81%-753.13%和125.81%-478.57%。在FOF胁迫（F）条件下，DIMBOA处理显著促进上述指标提高6.92%-55.71%、5.33%-27.33%、119.64%-876.79%和198.51%-702.99%；MBOA处理各项指标分别提高5.18%-50.42%、15.00%-55.00%、173.33%-962.22%和149.35%-564.94%。这表明BXs在一定浓度范围内能有效促进蚕豆种子萌发，且促进作用随浓度升高呈上升趋势。

### 4.6 间作系统中信号物质分泌上调

田间试验结果表明，与单作相比，小麦与蚕豆间作显著提高了根际中JA、SA和尿囊素含量分别为63.89%、46.37%和14.57%。土壤培养盆栽试验进一步证实，间作使蚕豆根系中JA、SA和尿囊素水平分别提高了51.55%、29.25%和68.25%。这说明在小麦-蚕豆间作体系下，蚕豆根系中的信号化合物显著上调，从而使“求助”功能得以在小麦中实现。

## 五、讨论与结论

研究讨论部分指出，植物间的化学通讯是间作系统中植物互作的重要基础，寄主植物通过释放信号分子向邻近植物传递胁迫信息，诱导其启动防御反应。本研究从蚕豆根系分泌物中筛选出JA、SA和尿囊素作为关键的信号分子，并验证了它们可显著诱导小麦叶片和根际中BXs（DIMBOA和MBOA）的合成与分泌，这一过程符合“求助信号”策略。在“吸引-杀灭”机制方面，小麦根系对FOF孢子表现出正向趋化吸引，将病原菌吸引至其根际；随后，根系分泌的DIMBOA和MBOA以浓度依赖性方式抑制FOF的生物膜形成和菌丝生长，并通过诱导活性氧爆发触发细胞程序性死亡。这一“吸引-杀灭”模型为间作系统防控土传病害提供了机制层面的解释。此外，BXs还表现出促进蚕豆种子萌发和幼苗生长的作用，其效应可能与其激素样特性有关。

研究结论表明，在小麦-蚕豆间作系统中，蚕豆通过分泌JA和SA等信号物质向小麦发出“求助信号”，小麦响应后自身BXs的分泌量增加。更重要的是，BXs能有效抑制蚕豆FOF的生长和发育，诱导其细胞凋亡囊泡增加。该结果揭示了根系分泌物组成、小麦BX诱导和真菌活性降低之间的关联，为深入解析间作系统病害调控的化学生态学机制及优化间作体系中的病害管理策略提供了重要的理论依据。