Molecular Plant | 南农袁军等-基于宿主植物根际微生物组与代谢物解析设计高效抗地上昆虫取食的合生元

摘要：在自然界中，植物并非被动地承受外界压力，而是通过一系列精妙的生理与分子机制主动应对环境挑战。近年来，“植物呼救”策略逐渐成为植物-微生物互作研究的热点，即植物在受到胁迫时通过调控根系分泌物招募有益微生物，以增强自身抗逆性。然而，植物如何通过地下根际微生物响应地

转自植物微生物组

在自然界中，植物并非被动地承受外界压力，而是通过一系列精妙的生理与分子机制主动应对环境挑战。近年来，“植物呼救”策略逐渐成为植物-微生物互作研究的热点，即植物在受到胁迫时通过调控根系分泌物招募有益微生物，以增强自身抗逆性。然而，植物如何通过地下根际微生物响应地上部害虫胁迫，并形成可持续的土壤记忆，仍是一个未解之谜。

2025年9月，Molecular Plant 发表了题为Design of effective synbiotics against aboveground insect herbivory through characterization of host plant rhizosphere microbiota and metabolites的论文。论文系统揭示了植物在遭受地上部害虫攻击时，通过根际代谢物驱动“呼救”响应，招募特定有益微生物，进而激活系统抗性的分子机制，并在此基础上成功开发出一种高效防控害虫的“合生元”。

暴露于地上部昆虫食草性的卷心菜植株能够操纵根际代谢模式，使氨基酸水平升高，进而组装新的根际微生物群。这种新的微生物群（尤其是假单胞菌的积累）可通过激活JA依赖的诱导系统抗性（ISR）来增强后续生长植株对地上部食草性的抗性。施用合生元（即益生元（氨基酸）和益生菌（假单胞菌）的组合）能有效预防昆虫食草性。

地上害虫触发地下“呼救”

该研究以卷心菜-小菜蛾为模型，通过连续五轮在相同土壤中种植受虫害与无虫害的植株，首次证实地上昆虫取食可建立“土壤传承效应”。第六轮种植在虫害预处理土壤中的植株表现出显著增强的抗虫性，叶片受害面积减少，幼虫体重增长受阻。进一步分析发现，这些植株在未受虫害时即已激活茉莉酸信号通路，JA含量上升，防御基因LOX2与MYB34表达增强，表明其处于“预防御状态”。

研究团队通过微生物组测序发现，虫害预处理土壤中根际微生物群落结构发生显著变化，假单胞菌属显著富集，成为关键有益类群。与此同时，代谢组学分析揭示，受虫害植株根际代谢物谱发生重塑，其中21种代谢物在虫害条件下显著累积，包括6种关键氨基酸（丙氨酸、环亮氨酸、亮氨酸、鸟氨酸、丝氨酸、缬氨酸）。这些氨基酸被证实可作为“益生元”，显著促进假单胞菌在根际的定殖与富集。

图 1. 在连续五轮经地上部害虫胁迫及对照植株预处理的土壤中生长的卷心菜植株对地上部昆虫食草性的抗性及根际微生物群落特性 A 通过地上部昆虫食草性进行土壤预处理的实验流程示意图。 B 在经一到五轮有（H）或无（C）地上部昆虫食草性预处理的土壤中生长的卷心菜植株，遭受昆虫侵染后的叶片受损面积。所有数据在线图中以均值 ± 均值标准误表示。 C 在经五轮有（H）或无（C）地上部昆虫食草性预处理的土壤中生长的卷心菜植株，遭受昆虫侵染后的叶片表型。 D 在经五轮有（H）或无（C）地上部昆虫食草性预处理的土壤中生长的卷心菜植株上，昆虫幼虫的体重增益。 E 在经五轮有（H）或无（C）地上部昆虫食草性预处理的土壤中生长的、未受挑战的卷心菜植株的地上部鲜重。 F 在经五轮有（H）或无（C）地上部昆虫食草性预处理的土壤中生长的、未受挑战的卷心菜植株叶片中植物激素茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）的变化。 G 在经五轮有（H）或无（C）地上部昆虫食草性预处理的土壤中生长的、未受挑战的卷心菜植株防御响应基因的相对表达水平。 H 基于布雷-柯蒂斯相异性的非度量多维尺度分析，比较在经五轮有（H）或无（C）地上部昆虫食草性预处理的土壤中生长的、未受挑战的卷心菜植株根际细菌群落（ASV水平）的物种组成。 I 弦图显示在经五轮有（H）或无（C）地上部昆虫食草性预处理的土壤中生长的、未受挑战的卷心菜植株根际群落中主要细菌属的相对丰度。

图 2. 地上部昆虫食草性对根际代谢物谱的影响 A 实验流程示意图。 B 暴露于地上部昆虫取食（IF）及未受昆虫取食（NF）的卷心菜植株根际代谢物谱的主成分分析。三角指示不同处理的中位数，圆点代表不同处理的样本。前两个主成分分别解释了总变异的38.86%和30.41%。 C 根据化学性质分组的根际代谢物的相对丰度。 D 通过随机森林分类鉴定出的前40个标志性代谢物。这些标志性代谢物按其对模型准确性的重要性降序排列。 E 热图揭示了IF组和NF组中代谢物的差异丰度。共使用了28种代谢物。

合生元的诞生

为验证其功能，研究者外源添加这些氨基酸至土壤中，发现能有效模拟虫害预处理效应，显著提升植株抗虫性，并伴随假单胞菌的相对丰度上升。而在灭菌土壤中施加相同代谢物则无此效果，证明其抗虫效应依赖于土壤微生物的存在。进一步从根际中分离出4株代表性假单胞菌菌株，并将其与6种氨基酸组合构建为“合生元”。实验表明，合生元处理组的抗虫效果显著优于单独施用益生元或益生菌，展现出协同增效作用。

图 3. 特定代谢物对植物抗性的影响 A 在经AAs（氨基酸）、Sugars（糖类）、Others（其他代谢物）、Mix（混合代谢物）、MEC（在对照卷心菜植株根际富集的代谢物）和Water（水）预处理的土壤中生长的卷心菜植株的代表性图像，以及在经同样处理的土壤中生长的卷心菜植株遭受昆虫食草性后的叶片表型。 B 在添加了AAs、Sugars、Others、Mix、MEC或Water的土壤中生长的卷心菜植株的害虫损害面积（上）和地上部鲜重（下）。 C 在添加了AAs、Sugars、Others、Mix、MEC或Water的土壤中生长的、未受挑战的卷心菜植株叶片中植物激素JA（上）、SA（下）的浓度变化。 D 在添加了AAs、Sugars、Others、Mix、MEC或Water的土壤中生长的、未受挑战的卷心菜植株叶片中防御响应基因LOX2（上）和MYB34（下）的相对表达水平。 E 在添加了AAs、Sugars、Others、Mix、MEC或Water的灭菌土壤中生长的卷心菜植株的叶片受损面积。 F 在添加了AAs、Sugars、Others、Mix、MEC或Water的灭菌土壤中生长的卷心菜植株上取食后，昆虫幼虫的体重。 G 由地上部昆虫食草性触发的"呼救"响应模型。暴露于地上部昆虫食草性的卷心菜植株可通过根际代谢物调控根际微生物群，从而增强后续生长植株对食草性的抗性。

图 4. 特定代谢物对根际微生物群落组装的影响 A 气泡图揭示了与在添加了AAs、Sugars、Others、Mix、MEC或Water的土壤中生长的卷心菜相关的根际微生物的差异丰度。右侧条形图显示了每种微生物在所有六组样本中的总相对丰度，该值通过计算这些微生物在各组根际土壤中的平均相对丰度之和得出。 B 各处理组中假单胞菌的相对丰度。 C 属于假单胞菌属的主要ASV的相对丰度。 D 菌株分离及土壤中功能验证的工作流程。 E 在添加了氨基酸（AAs，益生元）、四种假单胞菌分离株（P，益生菌）、氨基酸与假单胞菌分离株的组合（AP，合生元）或Water（水）的土壤中生长的卷心菜植株的叶片受损面积。 F 在添加了AAs、P、AP或Water的土壤中生长的、未受挑战的卷心菜叶片中植物激素JA、SA的含量以及防御响应基因的相对表达水平。

茉莉酸通路是关键防御枢纽

机制上，研究通过拟南芥突变体实验证实，假单胞菌通过激活JA信号通路而非SA途径，诱导系统抗性。在JA缺陷型突变体中，假单胞菌无法增强抗虫性；而在SA缺陷型中仍有效。代谢组学进一步揭示，假单胞菌处理显著提高了叶片中芥子油苷类防御物质的含量，其中glucosibarin和phenylethyl glucosinolate与叶片受害面积呈显著负相关。

图 5. 假单胞菌激活JA介导的芥子油苷防御物质产生以抵御昆虫食草性 A, B 在添加了假单胞菌（P）和水（Water）的土壤中生长的JASSY、COI1、EDS1和EPS1拟南芥突变体以及野生型拟南芥（Col-0）遭受昆虫侵染后的受损面积（A）和叶片表型（B）。 C 来自P组和Water组的野生型拟南芥叶片中化合物类别的相对丰度。每个柱状图代表六个重复的平均值。星号表示统计学显著差异。 D 不同糖苷含量的比较。 E 来自P组和Water组的野生型（Col-0）拟南芥叶片中7种芥子油苷的相对丰度。 F 叶片受损面积与7种芥子油苷之间的相关性矩阵。