推拉种植系统土壤遗留效应增强羽衣甘蓝硫代葡萄糖苷合成及对小菜蛾的防御能力

《Discover Plants》：Push-pull cropping system soil legacies enhance glucosinolate production and subsequent defense against Diamondback moth (Plutella xylostella) larvae in Kale (Brassica oleracea)

　　本研究针对小菜蛾(Plutella xylostella)对十字花科作物的严重危害问题，通过探究推拉种植(push-pull)系统形成的土壤遗留效应对羽衣甘蓝(Brassica oleracea)防御机制的影响。研究发现，在推拉系统条件下生长的羽衣甘蓝能够显著提高关键硫代葡萄糖苷(glucosinolates)含量，包括gluconapin、glucoiberin、sinigrin和glucobrassicin(0.01-1.08 ng sinigrin equivalents/g)，从而有效降低小菜蛾幼虫的存活率(0-24%)、取食活动(叶面积取食量：0.31-0.68 cm2)和定向行为(28-32%)。该研究为通过植物-土壤反馈(PSF)机制实现可持续害虫管理提供了新思路。

　　

在撒哈拉以南非洲地区，十字花科蔬菜是消费量最大的叶菜类作物，然而其种植面临着严峻挑战——小菜蛾(Plutella xylostella)的严重危害。这种害虫每年在全球造成约40-50亿美元的经济损失，其高繁殖力和多化性特点使其成为极具破坏性的间歇性害虫。目前，小菜蛾的防治主要依赖合成杀虫剂，但这导致了抗药性种群的产生以及环境和健康风险。因此，农业生态学方法，特别是推拉种植(push-pull)系统等作物多样化策略，提供了有前景的替代方案。

推拉种植系统是一种创新的间作技术，具有多方面的益处，包括害虫管理、土壤健康改善、控制独脚金(Striga spp.)等寄生性杂草，以及提高农场生产力。该系统通过整合具有驱避作用的"推"(push)植物(如山蚂蝗属植物)和具有吸引作用的"拉"(pull)诱集植物(如臂形草)，创建一个既能驱避害虫又能吸引天敌的栖息地。最初为非洲撒哈拉以南地区的谷物作物开发，推拉种植现在正通过整合包括羽衣甘蓝和卷心菜在内的蔬菜作物而进一步强化，以提高产量和作物保护。

通过植物-土壤反馈(Plant-Soil Feedback, PSF)机制，这种种植系统能够通过招募有益微生物来增强土壤肥力，加强植物对害虫的自然防御，并提高植物生产力，从而促进区域粮食安全。推拉种植还与其他改善的土壤特性相关，包括有机质含量、氮和磷含量。植物-土壤反馈是关键的农业生态相互作用，植物通过改变土壤性质，进而影响后代植物的生长、健康和恢复力。通过支持PSF的实践改变土壤微生物组，已显示出减少地上害虫种群和加强植物抗性机制的潜力。

本研究旨在评估在推拉和单一种植系统条件下处理的盆栽土壤中种植的两个羽衣甘蓝品种(Tausi和Kanzira)对小菜蛾的直接抗性。特别考察了小菜蛾幼虫的行为、存活、取食活动以及羽衣甘蓝组织中的硫代葡萄糖苷积累，以确定土壤遗留如何塑造植物抗性。

研究人员采用了几项关键技术方法：从肯尼亚西部五个地区的小农户农场收集推拉种植系统和传统玉米单一种植系统的土壤样本；通过行为生物测定和幼虫性能测试评估小菜蛾幼虫的定向、定居、取食和存活情况；利用液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术分析羽衣甘蓝叶片和根部中的硫代葡萄糖苷代谢产物。

取向与定居

小菜蛾幼虫在Tausi和Kanzira两个羽衣甘蓝品种叶片上的定向和定居在不同处理间存在显著差异。与在中度和老推拉条件下处理的土壤中生长的羽衣甘蓝相比，显著更大比例的小菜蛾幼虫倾向于选择并定居在对照土壤中生长的羽衣甘蓝上。观察1小时后，在中等和老推拉条件下处理的土壤中生长的Kanzira植株上的幼虫定居率无显著差异，定居百分比范围为44%至52%。然而，24小时后，在中等和老推拉条件下处理的土壤中生长的Tausi和Kanzira植株上的小菜蛾幼虫定居率显著下降，范围为28%至32%，而在对照土壤中则持续保持较高水平，范围为68%至72%。

幼虫取食

在两个羽衣甘蓝品种的不同处理间观察到显著差异。对于Kanzira，幼虫在对照土壤中生长的羽衣甘蓝上取食的叶面积显著更高(1.8 cm2)，其次是在中等推拉土壤中生长的植株(0.9 cm2)，在老推拉土壤中生长的植株上取食最少(0.3 cm2)。类似地，在对照土壤中生长的Tausi品种被小菜蛾幼虫取食的叶面积(1.5 cm2)显著高于在老推拉(0.7 cm2)或中等推拉(0.7 cm2)土壤中生长的植株，而中等和老推拉处理间的叶面积取食量对Tausi无差异。

幼虫存活

在两个羽衣甘蓝品种的不同处理间观察到幼虫存活率的显著差异。与对照土壤相比，种植在中度和老推拉条件下处理的土壤中的羽衣甘蓝上观察到小菜蛾幼虫的存活率显著降低。

推拉条件处理土壤对羽衣甘蓝硫代葡萄糖苷的影响

Kanzira羽衣甘蓝叶片中含有11种硫代葡萄糖苷化合物，分为三大类：脂肪族硫代葡萄糖苷(如progoitrin、sinigrin、gluconapin、glucocheirolin、glucoiberin和epiprogoitrin)、吲哚族硫代葡萄糖苷(4-hydroxyglucobrassicin、glucobrassicin和4-methoxyglucobrassicin)和芳香族硫代葡萄糖苷(包括gluconasturtiin和sinalbin)。从对照到中度再到老推拉条件处理的土壤，sinigrin含量显著增加。老推拉条件处理土壤中的glucoiberin含量显著高于中等推拉条件处理土壤和对照土壤。相反，epiprogoitrin在对照土壤中含量最高，其次为中等推拉条件处理土壤，而在老推拉条件处理土壤中未检测到。Glucocheirolin仅在老推拉条件处理土壤中生长的植株叶片中检测到。

Kanzira根部的硫代葡萄糖苷组成与叶片相似。其中许多化合物在推拉土壤中生长的Kanzira植株根部往往浓度更高。与对照土壤相比，老推拉条件处理土壤中植株根部的4-hydroxyglucobrassicin含量显著更高。类似地，sinigrin、3-methylpently glucosinolate和gluconasturtiin在推拉条件处理土壤中生长的植株根部含量往往更高。Progoitrin和glucotropaeolin仅在老推拉土壤中生长的植株根部检测到。Glucocheirolin仅在中等推拉条件处理土壤中生长的植株根部检测到。

Tausi羽衣甘蓝叶片和根部中的硫代葡萄糖苷组成揭示了在推拉种植系统(中度和老)条件下处理的土壤中生长的植株与对照土壤中生长的植株之间的明显差异。Tausi羽衣甘蓝叶片中含有8种硫代葡萄糖苷化合物，分为两类：吲哚类(4-methoxyglucobrassicin、4-hydroxyglucobrassicin和glucobrassicin)和脂肪烃类(glucoiberin、sinigrin、glucoaubrietin、glucoraphanin和glucoiberin)。其中，老推拉条件处理土壤中生长的植株叶片中的sinigrin和glucoiberin浓度显著更高，其次为中等推拉条件处理土壤，对照土壤中最低。4-hydroxyglucobrassicin在老推拉条件处理土壤中含量最高，其次为对照土壤，在中等推拉条件处理土壤中最低。Glucobrassicin在老推拉条件处理土壤和对照土壤的叶片中检测到，但在中等推拉条件处理土壤的叶片中缺失。Gluconubrietin和glucoraphanin的浓度在所有处理中没有明显趋势。

Tausi根部含有11种硫代葡萄糖苷化合物，包括吲哚类(4-methoxyglucobrassicin、4-hydroxyglucobrassicin和glucobrassicin)和脂肪烃类(glucoiberin、sinigrin、glucoberteroin、glucoraphanin、sinalbin、gluconasturtiin、glucoerucin和gluconapin)。与中等推拉条件处理土壤和对照土壤中生长的植株相比，老推拉条件处理土壤中生长的植株根部的sinigrin、glucobrassicin、4-hydroxyglucobrassicin和4-methoxyglucobrassicin含量显著更高，而progoitrin仅在老推拉条件处理土壤中生长的植株根部检测到，gluconapin在推拉条件处理土壤的根部检测到，但在对照土壤的根部未检测到。相反，对照和中等推拉条件处理土壤中生长的羽衣甘蓝植株根部的glucoerucin浓度高于老推拉条件处理土壤中的植株，glucoberteroin仅在对照片段中生长的植株根部检测到。

对Kanzira和Tausi羽衣甘蓝品种硫代葡萄糖苷谱的主成分分析(PCA)揭示了基于土壤条件处理的不同聚类模式，在大多数情况下，与三种处理间硫代葡萄糖苷组成的差异相关。在Kanzira叶片中，老推拉土壤中生长的叶片与更高浓度的gluconasturtiin、glucoiberin、glucocheirolin和sinigrin正相关。相反，更高浓度的4-hydroxyglucobrassicin、sinalbin和epiprogoitrin与对照土壤中生长的叶片相关。在Kanzira根部，来自中等推拉土壤的根部与更高浓度的glucocheirolin、glucobrassicin、3-methylpentylglucosinolate和gluconasturtin相关，而来自老推拉条件处理土壤的根部与4-methoxyglucobrassicin、glucotropaeolin、gluconapin和sinigrin相关。总体而言，Kanzira的分布表明对照和老推拉条件处理土壤之间的硫代葡萄糖苷组成存在过渡，中等推拉土壤与对照和老推拉土壤均有大量重叠；然而，这种过渡在叶片中比在根部更清晰。

对于Tausi叶片，所有三种处理都显示出大量重叠。然而，老推拉条件处理土壤中生长的叶片与更高浓度的4-methoxyglucobrassicin、4-hydroxyglucobrassicin和glucobrassicin相关。来自不同条件处理土壤的Tausi根样本分离得更好。更高浓度的4-methoxyglucobrassicin、4-hydroxyglucobrassicin、glucobrassicin、progoitrin和gluconapin与老推拉土壤中生长的植株根部相关，而更高浓度的glucoerucin、glucoberteroin和sinalbin与对照土壤中生长的植株根部相关，中等推拉土壤中生长的植株根部处于中间位置。因此，对于Tausi，推拉条件处理土壤和对照土壤之间硫代葡萄糖苷组成的过渡在根部更清晰。

总体而言，在老推拉条件处理土壤中栽培 consistently 与Kanzira叶片和根部中更高浓度的sinigrin和4-methoxyglucobrassicin相关，与Tausi叶片和根部中更高浓度的glucobrassicin和4-methoxyglucobrassicin相关，而没有明确的模式定义哪些硫代葡萄糖苷在对照土壤中生长的植物中更丰富。

作物多样化可以通过植物-土壤反馈介导的生化变化影响未来植物的防御。本研究中，推拉种植条件处理的土壤促进了关键富硫防御相关硫代葡萄糖苷组成的变化，并且通常与这些化合物更高的浓度相关，这些化合物已知在芥菜科植物对食草动物的防御中起关键作用。通过黑芥子酶水解后，这些化合物产生有毒的降解产物，如异硫氰酸盐和腈类，可驱避草食性害虫。

本研究中，在推拉条件处理土壤中生长的羽衣甘蓝倾向于具有更高的硫代葡萄糖苷浓度，这可能有助于减少小菜蛾幼虫的取食、阻碍其发育并增加其死亡率。这些化合物不仅损害昆虫发育，还提供抗菌保护，进一步增强了植物恢复力。Sinigrin在中等水平时作为取食刺激剂，在较高浓度下表现出毒性，并且在推拉条件处理土壤中生长的羽衣甘蓝中 consistently 发现浓度更高（尽管并非总是统计学显著）。这些发现与先前的研究一致，这些研究证明了与在非推拉土壤中生长的植物相比，推拉种植系统条件处理的土壤在管理玉米中的钻心虫和草地贪夜蛾方面的有效性。这些结果在不同作物间的一致性强调了推拉在综合害虫治理(IPM)中的广泛适用性。

两个羽衣甘蓝品种在对推拉土壤遗留的防御诱导性方面观察到品种差异，特别是在幼虫取食方面。地方品种Kanzira对推拉土壤条件处理表现出更渐进的响应，并且与杂交品种Tausi相比，检测到的硫代葡萄糖苷组成也不同。这种诱导植物防御的差异在不同植物品种中均有观察到，并且通常受驯化和育种过程的影响。这些差异强调了在农业生态系统中选育抗虫品种时基因型选择的重要性。

本研究的结果进一步强调了植物-土壤反馈在推拉种植系统中的关键作用，证明了其增强羽衣甘蓝防御机制的能力。在推拉条件处理土壤中栽培的羽衣甘蓝上观察到的小菜蛾侵染和取食损害减少可能与改善的土壤健康和微生物多样性有关，这可以支持硫代葡萄糖苷化合物和其他植物防御代谢物的积累。这项研究支持了多样化种植系统，如推拉和/或间作系统，通过增强土壤养分和微生物相互作用积极影响植物次生代谢和害虫抗性的观点。相比之下，单一种植系统通常导致土壤退化、养分耗竭和害虫压力增加，突出了其长期不可持续性。

除了在害虫抗性中的作用外，其他研究报告称sinigrin和gluconapin等硫代葡萄糖苷具有抗氧化特性，可通过增强谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶等酶的活性来调节细胞氧化还原平衡。其他硫代葡萄糖苷，包括benzyl glucosinolate和glucobrassicin，已被报道为化学预防剂，能够减少肿瘤生长，特别是在有益人类肠道微生物群（包括植物乳杆菌和乳酸乳球菌）代谢时。目前尚不清楚推拉种植系统条件处理的土壤中生长的羽衣甘蓝中硫代葡萄糖苷的上调是否也能带来此类人类健康益处。

除了其营养价值外，推拉种植系统还提供长期效益，显著促进土壤健康和农业可持续性。山蚂蝗属植物、谷物作物和臂形草的间作通过增强土壤肥力和促进有益微生物群落培育了丰富的土壤遗留。土壤质量的这些改善支持更好的植物健康，导致对草食性害虫和致病病原体的抗性增加。值得注意的是，在老推拉条件处理土壤中生长的羽衣甘蓝中某些硫代葡萄糖苷的更高浓度，以及在中度推拉土壤中生长的植物其硫代葡萄糖苷组成倾向于处于对照或老推拉土壤中生长的植物之间的中间状态，表明这些土壤遗留的累积效应。这些结果表明，推拉系统的长期实施不仅改善土壤健康，还增强植物生化防御，强化了其在可持续害虫管理和弹性作物生产中的适用性。

在推拉条件处理土壤中生长的羽衣甘蓝在选择和 no-choice 测试中表现出小菜蛾侵染和取食活动的显著减少，强调了这种可持续农业方法的害虫抑制潜力。通过改善土壤健康和促进有益微生物多样性，推拉系统增强了植物-土壤反馈机制，通过增加硫代葡萄糖苷生产来加强羽衣甘蓝的自然防御。这种环保方法为合成化学农药提供了一种有前景的替代方案，特别是在东非和中非等资源受限地区，这些地区合成化学投入品带来显著的环境和健康风险。推拉条件处理土壤中生长的羽衣甘蓝中硫代葡萄糖苷水平的升高突出了这些系统的双重优势，超越了害虫管理，包括增强植物防御和潜在的营养收益。为了充分利用这些益处，未来的研究应优先开发富含硫代葡萄糖苷的植物栽培品种，旨在提高对食草动物的抗性和膳食价值。此外，探索作物多样化策略及其对植物-昆虫-微生物组相互作用的影响可以进一步增强这些系统中的生态和农艺性能。评估富含硫代葡萄糖苷的羽衣甘蓝的人类健康益处，特别是其抗氧化和治疗特性，也至关重要。最后，确定推拉系统对非洲撒哈拉以南小农户的经济可行性和可扩展性对于广泛采用至关重要。