《Plant Science》：Metabolomic analysis and functional validation of coumarin metabolites in Chinese cabbage’s defense responses against Alternaria brassicae
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黑斑病是十字花科蔬菜的重要病害，本研究调查了我国10个省份冬季种植的白菜、甘蓝和花椰菜叶片样本，成功分离鉴定396株 Alternaria 菌株，确定 A. brassicae 为主要致病种。通过广谱代谢组学分析结合苯丙烷代谢途径的激活，发现香豆素类化合物C3CA和dicumarol具有显著抗真菌活性，为开发绿色农药和抗病育种提供理论依据。
曾琪|刘春婷|王慧深|贾静文|严雪梅|刘希凡|邱旭轩|王晓武|李宝华
中国西北农林科技大学园艺学院作物抗逆与高效生产国家重点实验室，杨凌712100
摘要
黑斑病会导致芸苔属蔬菜的产量和品质显著下降。因此，制定有效的管理策略对于确保中国白菜的生产力和市场品质至关重要。我们从受感染的芸苔属蔬菜中分离出了396株链格孢菌株，并确认A. brassicae是最具致病性的菌株。通过筛选和鉴定中国白菜的抗性和感病品系，我们进行了广谱代谢组学分析，以探讨中国白菜叶片在A. brassicae感染下的代谢变化。研究发现香豆素-3-羧酸和双香豆酚在体外和体内实验中均表现出显著的抗真菌作用，它们通过激活苯丙素途径发挥作用。此外，香豆素途径中的肉桂酸也显示出强烈的抗A. brassicae生长效果。这些候选代谢化合物的丰富数据为研究A. brassicae与芸苔属蔬菜之间的相互作用提供了宝贵线索，有助于开发绿色农药和抗病品种。
引言
中国白菜是全球重要的叶类蔬菜，富含维生素、纤维和矿物质（Seong等人，2016年），尤其在北亚和东亚的发展中国家冬季期间具有关键作用。然而，黑斑病在生长和采后阶段都会造成严重的产量损失和品质下降（Mandal等人，2018年；Al-lami等人，2022年）。Alternaria brassicae是导致黑斑病的主要病原菌，在自然生长条件下通常会与其他链格孢菌株（如Alternaria brassicicola、Alternaria tenuissima和Alternaria alternata）同时感染（Dunbar等人，2017年；Mandal等人，2018年）。近年来，Alternaria alternata也成为感染芸苔属植物的主要病原菌之一（Shi等人，2021年；Ramirez-Villacis等人，2023年）。某些链格孢菌株会产生宿主选择性毒素（HSTs），其中A. brassicae分泌的破坏素（destruxins）会导致中国白菜叶片出现坏死症状（Pedras等人，2002年）。混合感染可能会在蔬菜组织中产生多种毒素，这些毒素可能对人类和动物的健康造成生殖、遗传毒性和发育毒性威胁（Chen等人，2021年）。
黑斑病的预防和控制对中国白菜的品质和食品安全至关重要，目前主要采用化学杀菌剂喷雾进行管理。然而，频繁和大量使用杀菌剂可能导致病原菌产生抗性，并造成严重的环境污染（Hou等人，2024年）。因此，开发绿色农药和培育抗病品种是应对黑斑病的优选策略。同时，从生化和分子水平上系统深入理解植物-病原体相互作用对于实现这些目标至关重要，因为许多植物次生代谢物（如香豆素、黄酮类、酚酸、木质素和生物碱）在生物胁迫抗性中起着关键作用（Yang等人，2024年）。
香豆素是一类在植物、真菌和细菌中普遍存在的功能多样的酚类化合物，它们既能有效刺激植物对生物胁迫的防御反应，也能作为人类饮食中的潜在抗癌成分（Yerer等人，2020年；Zaynab等人，2024年）。许多香豆素衍生物具有明显的抗真菌和抗菌作用（Zhu等人，2023年），其中香豆素-3-羧酸（C3CA）和双香豆酚因其多种抗癌、抗菌和抗氧化功能而受到关注（Ji等人，2021年；Mansi等人，2023年）。C3CA通过破坏细胞膜完整性和抑制极鞭毛生长来抑制Acidovorax citrulli的活性（Zhu等人，2023年）。羟基香豆素通过抑制Ralstonia solanacearum的生物膜形成来抑制其生长（Yang等人，2016年）。多种香豆素化合物之间的协同作用可进一步增强Citrus latifolia对黑斑病的抗性（Fernandes等人，2022年）。
广谱代谢组学分析是研究植物-病原体相互作用的强大工具，在植物生物胁迫研究领域受到越来越多的关注（Vega-álvarez等人，2023年）。在本研究中，我们利用高通量广谱代谢组学技术分析了中国白菜与A. brassicae之间的相互作用。我们从中国10个省/市/自治区的受黑斑病影响的芸苔属蔬菜中分离出约400株菌株，并确定A. brassicae为最具致病性的菌株。通过成功筛选出抗性和感病品系，我们对抗性和感病品系在A. brassicae感染下的响应进行了广谱代谢组学研究。C3CA和双香豆酚在体外和体内实验中被证实为有效的天然代谢物，它们通过抗氧化作用和激活苯丙素途径来对抗黑斑病。众多候选代谢化合物及其生物合成途径的鉴定为开发新型绿色天然农药和增强中国白菜抗病性的分子育种目标提供了重要线索。
植物材料与生长条件
用于抗病性筛选的中国白菜品系由西北农林科技大学中国白菜研究小组提供（中国陕西杨凌）。白菜种子播种在72孔育苗盘中，在22℃、16小时光照/8小时黑暗的光周期条件下在洁净温室中生长。
病原体分离与鉴定
2020年和2021年，我们在自然生长条件下从中国白菜、卷心菜和花椰菜中收集了表现出典型黑斑症状的叶片样本。
链格孢菌株的收集与鉴定
为了研究芸苔属作物中黑斑病病原体的分布，我们在2020年和2021年的冬季从中国10个省/市/自治区收集了表现出典型黑斑症状的受感染叶片组织（图1A）。共鉴定出396株菌株，其中361株来自中国白菜，26株来自卷心菜，9株来自花椰菜（表S1）。
讨论
植物材料与生长条件
用于抗病性筛选的中国白菜品系由西北农林科技大学中国白菜研究小组提供（中国陕西杨凌）。白菜种子播种在72孔育苗盘中，在22℃、16小时光照/8小时黑暗的光周期条件下在洁净温室中生长。
病原体分离与鉴定
2020年和2021年，我们在自然生长条件下从中国白菜、卷心菜和花椰菜中收集了表现出典型黑斑症状的叶片样本。
链格孢菌株的收集与鉴定
为了研究芸苔属作物中黑斑病病原体的分布，我们在2020年和2021年的冬季从中国10个省/市/自治区收集了受感染的叶片组织（图1A）。共鉴定出396株菌株，包括361株来自中国白菜，26株来自卷心菜，9株来自花椰菜（表S1）。
结论
本研究探讨了与中国白菜黑斑病相关的链格孢菌株的分布情况。通过生理学和全面的代谢组学分析，我们研究了R品系和S品系对A. brassicae的抗性机制，发现C3CA和双香豆酚具有抗A. brassicae的活性。此外，C3CA和双香豆酚通过提高抗氧化酶（POD）的活性增强了中国白菜的抗病性。
未引用的参考文献
(Mansi等人，2023)
资助
本工作得到了2025年农业基础与前沿研究项目（2025JQQY021）、国家重点研发计划（2022YFF1003003）和中国国家自然科学基金（32070333）的支持。
作者贡献声明
严雪梅：正式分析、数据管理。贾静文：正式分析、数据管理。王慧深：验证、研究。刘春婷：方法学、研究、数据管理。邱旭轩：正式分析。刘希凡：正式分析。王晓武：资源获取、方法学、资金申请。曾琪：撰写初稿、可视化、正式分析、数据管理。李宝华：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢西北农林科技大学园艺学院国家园艺实验教学示范中心的刘航空和罗敏荣，以及西北农林科技大学园艺科学研究中心的张飞博士和张静博士提供的技术支持，同时感谢该校园艺学院的张鲁刚教授和赵丽敏教授提供中国白菜材料。
所有作者声明
