Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

棉花不仅仅是一种织物；它是一个全球性的农业引擎，仅印度一国种植的棉田就占全球近一半。然而，这一重要的作物正面临着一个无形的、潜伏在地下之中的敌人。一种被称为枯种病（Rhizoctonia solani）的微观真菌生活在土壤中，等待着攻击幼小的棉花幼苗。这种真菌会导致猝死现象，即幼苗的茎部在基部腐烂，导致它们在甚至还未扎根建立自身时就倒塌死亡。几十年来，农民一直用化学杀菌剂来对抗这个敌人，但这些化学物质会伤害土壤以及其中生存的有益微生物，同时该真菌本身最终也会学会产生抗药性。然而，大自然提供了一种不同的解决方案。在健康植物的组织内部，隐藏着被称为内生真菌（endophytes）的微观真菌。它们不是入侵者，而是长期居住在植物体内的、无害的居民。在许多情况下，这些内部宾客充当着守护者的角色，通过产生驱逐害虫的化合物或触发植物自身的免疫系统，使植物随时准备好应对攻击。

位于印度那格浦尔的中央棉花研究中心的一支研究团队，致力于探索是否可以利用这些内部守护者来保护棉花免受致命土壤真菌的侵害。他们重点研究了三种此前在健康棉花植株内部发现的特定类型内生真菌。科学家们想要知道，他们是否能在敌人到来之前唤醒棉花的自然防御机制。为此，他们将棉籽浸泡在含有这些有益真菌孢子的液体中，这一过程被称为种子生物处理（seed biopriming）。这一步骤本质上是为种子争取到了领先优势，为它们涂上了一层新的微观盟友。随后，他们将这些经过处理的种子种植在被致病真菌感染的土壤中，并与未接受处理的种子进行对比。其目标是观察处理后的植物在面对感染时的表现，并了解植物细胞内部究竟发生了什么，从而使其变得更加强大。

结果显示，这一策略非常成功。经过有益真菌处理的种子长成的幼苗，在遭受攻击时的存活率远高于未经处理的种子。事实上，经一种特定的内生真菌——黑壳菌（Daldinia eschscholtzii）处理的种子表现出了最高的发芽率，即使在存在疾病的情况下，其发芽成功率仍高达91%，而对照组在受感染土壤中的发芽率仅为67%。但故事不仅止于存活率。研究人员观察了存活植物的组织内部，以了解发生了哪些生化变化。他们发现，经过处理的植物基本上处于高度戒备状态。它们积累了显著更高水平的蛋白质和糖类，这些物质是植物防御机制的建筑材料和燃料。植物还产生了更多的酚类化合物，这些化合物充当天然防腐剂，有助于强化植物的细胞壁，使侵入性真菌更难突破。

研究还测量了特定酶的活性，这些酶是植物用来反击的工具。经过处理的植物表现出过氧化物酶活性的激增，这有助于中和疾病真菌释放出的破坏植物的有害化学物质。一种被称为过氧化氢酶（catalase）的酶，有助于分解植物自身免疫反应产生的有毒副产物，在经黑壳菌处理的植物中表现得尤为活跃。另一种名为过氧化物酶（peroxidase）的酶，参与加固植物细胞壁的过程，在经另一种内生真菌——硫磺孢镰菌（Trichoderma sulphureum）处理的植物中也表现出高度活性。或许最能说明问题的是遗传证据。研究人员检查了负责产生几丁质酶（chitinase）和 β-1,3-葡聚糖酶（beta-1,3-glucanase）的基因，这是植物用来拆解真菌细胞壁的两件强力武器。在经有益真菌处理的植物中，制造这些武器的指令以惊人的速度和强度被开启。在种植后的15天内，经黑壳菌处理的植物中几丁质酶基因的活性增加了多达26倍，而 β-1,3-葡聚糖酶基因的活性则增加了9倍。这表明，有益真菌不仅是直接对抗疾病，它们还教会了棉花如何为自己而战。

研究人员观察到，这种防御反应并非单一事件，而是一个随时间演变的协调过程。虽然遗传信号在植物生命的早期阶段最为强烈，但生化防御（如糖类和蛋白质的积累）随着植物的生长而持续增强。这表明，有益真菌使植物做好了立即应对攻击的准备，并在植物成熟过程中帮助维持这种防御。研究并未发现有益真菌完全消灭了致病真菌，而是显著降低了其可能造成的破坏。经过内生真菌处理的植物并非完全免疫，但它们具有足够的韧性，能够在未经处理的植物会死亡的环境中生存并生长。这种方法提供了一种极具前景的替代化学喷雾的选择，它依赖于植物与其寄生的微观生命之间的自然伙伴关系。通过简单地将种子浸泡在这些有益真菌的溶液中，农民有望利用一种既有效又对环境温和的方法来保护农作物，将棉花自身的内部盟友转化为其对抗持久且具破坏性敌人的第一道防线。