植物的早衰可由多種環境脅迫所致。由於葉綠素退化和光合作用受損，早衰可造成作物籽粒灌漿受損從而導致嚴重的減產。早衰過程中的葉綠素降解還導致許多蔬菜的採後貨架期縮短。有益微生物能夠增強植物對多種環境脅迫的耐受能力 (Singh et al., 2022)，但是很少有已知的微生物代謝物能夠調節植物葉綠素代謝。早期研究顯示，解澱粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）菌株GB03釋放的揮發物（簡稱GMVs）能提高植物葉綠素含量，同時抑制植株莖葉部ABA的積累 （Zhang et al., 2008）。GMVs包含超過30種化合物，但其中能夠調節植物葉綠素含量的生物活性組分一直不清楚。
JIPB近日線上發表了中科院分子植物科學卓越創新中心張惠明課題組題為“Bacterial diacetyl suppresses abiotic stress-induced senescence in Arabidopsis”（https://doi.org/10.1111/jipb.13260）的研究論文。該研究發現微生物揮發物中的二乙醯（diacetyl，又名2,3-丁二酮）能拮抗脫落酸ABA的作用，從而抑制脅迫引起的植物早衰。
研究人員在易於觀測葉片衰老的黑暗條件下分別檢測了GMVs中的六種主要組分對離體葉片衰老的影響。結果顯示，只有二乙醯(2,3-丁二酮)有效抑制了黑暗誘導的衰老。該條件下，外源ABA強烈促進葉綠素的降解，導致葉片變黃，而二乙醯顯著抑制了ABA誘導的葉片變黃現象。進一步研究發現，ABA處理24小時內，葉綠素代謝相關的基因表達被上調錶達，而二乙醯顯著抑制了這些基因的上調。為從基因組水平上了解二乙醯拮抗ABA誘導的葉片衰老的機制，研究人員對mock, ABA, diacetyl, ABA+dyacetyl四個處理組的葉片進行了轉錄組測序。資料分析結果顯示二乙醯拮抗ABA轉錄調控鏈的早期步驟，而且很可能抑制後期ABA的合成。研究人員還發現，ABA處理增加了活性氧的積累，而二乙醯清除了積累的活性氧；ABA抑制種子萌發，而二乙醯能緩解ABA對種子萌發的抑制作用，進一步支援了二乙醯能夠拮抗ABA作用的結論。
二乙醯（diacetyl）抑制ABA誘導的葉片衰老
這些研究結果表明，二乙醯作為一種具有生物活性的細菌代謝物，能夠抑制受脅迫誘導的植物衰老。然而，植物如何感知雙乙醯仍有待確定。鑑於雙乙醯還介導依賴於磷營養狀態的植物與根際細菌的相互作用（Morcillo et al., 2020），該代謝物可能是一種有價值的分子工具，可用於研究植物對生物和非生物刺激反應之間的複雜協調作用，以及用於開發抑制作物過早衰老的保護劑。張惠明課題組博士後Sunil. K. Singh, 碩士畢業生孫亞洲和副研究員楊玉為該論文的共同第一作者，張惠明研究員為通訊作者。該研究得到了中科院的經費支援。
參考文獻：
Morcillo, R.J., Singh, S.K., He, D., An, G., Vílchez, J.I., Tang, K., Yuan, F., Sun, Y., Shao, C., and Zhang, S. (2020). Rhizobacterium‐derived diacetyl modulates plant immunity in a phosphate‐dependent manner. EMBO J. 39: e102602.
Singh, S.K., Wu, X., Shao, C., and Zhang, H. (2022). Microbial enhancement of plant nutrient acquisition. Stress Bio. 2: 1-14.
Zhang, H., Xie, X., Kim, M.S., Kornyeyev, D.A., Holaday, S., and Paré, P.W. (2008). Soil bacteria augment Arabidopsis photosynthesis by decreasing glucose sensing and abscisic acid levels in planta. Plant J. 56: 264-273.
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