文章基本信息

题目：Metabolome-driven rhizosphere microbiome assembly determining the health of medicinal herb (Angelica sinensis) against root rot

通讯作者：Zhong Wei、Xiaofang Wang

第一单位：南京农业大学资源与环境科学学院

原文链接：https://doi.org/10.1186/s40168-026-02393-x

发表期刊：《Microbiome》（影响因子=12.7）

成果简介

本研究利用根际微生物组（16S/ITS 扩增子测序与宏基因组分析）与非靶向代谢组学技术，系统解析了当归根际微生态在健康与根腐病条件下的组装特征，构建了覆盖健康与病株根际的微生物组 - 代谢组关联图谱，明确了健康根际富集链霉菌科微生物、病株根际富集尖孢镰刀菌的菌群失衡特征，同时鉴定到茉莉酸甲酯（MeJA）、芸苔素内酯（BR）等健康根际特异性富集的脂质类代谢物。研究发现，链霉菌科微生物是当归根际抗病微生态构建的核心类群，其差异富集的脂质代谢、甾体降解通路基因表达水平均显著高于其他菌群；而尖孢镰刀菌是根腐病发生的核心致病菌，其丰度在病株根际显著升高，是引发病害的关键驱动因子。通过代谢组 - 微生物组关联分析，本研究鉴定到 MeJA、BR 等 2 种与链霉菌科微生物丰度显著正相关的核心脂质代谢物，并通过菌株分离筛选获得高效拮抗菌株链霉菌 S15，该菌株对尖孢镰刀菌的平板抑菌率达 19.54%，且携带完整的甾体降解通路基因簇。功能验证表明，MeJA 与 BR 可作为链霉菌 S15 的特异性益生元，显著促进菌株生长、生物膜形成与抑菌活性，同时上调其甾体代谢、链霉素合成等关键通路基因的表达；盆栽与田间试验证实，“脂质益生元 + 链霉菌 S15” 合生菌处理可显著降低根际尖孢镰刀菌丰度，使当归根腐病病情指数降低 23.9%，防效显著优于单一益生菌或益生元处理。土壤理化性质测定结果证实，健康与病株根际土壤的理化指标无显著差异，排除了非生物因素的干扰，进一步证实根际微生物组失衡是当归根腐病发生的关键特征。本研究首次揭示了药用植物根系脂质代谢物驱动根际微生物组组装、调控宿主抗根腐病的新机制，提出了基于 “代谢组 - 微生物组” 协同调控的合生菌防控新策略，为当归根腐病的绿色防控及其他药用植物土传病害的可持续治理提供了关键靶标与理论基础。

思维导图

前言

当归（Angelica sinensis）是伞形科当归属多年生草本植物，为我国常用中药材，其干燥根具有补血活血、调经止痛等功效，在医药、保健品及日化领域应用广泛，是支撑我国中药材产业的核心品种之一。近年来，随着当归种植产业的规模化、集约化发展，连作障碍引发的根腐病发生日趋严重，已成为制约当归优质高效生产的核心瓶颈。根腐病由尖孢镰刀菌等多种土传病原菌复合侵染引发，发病植株根系腐烂、地上部萎蔫，严重田块病株率可达 50% 以上，不仅大幅降低当归产量与药材品质，还导致连作地土壤微生态失衡、地力衰退，严重威胁当归种植产业的可持续发展。

当前当归根腐病的防控仍以化学农药为主，长期施用易造成农药残留超标、病原菌耐药性增强及土壤环境破坏等问题，难以满足中药材绿色生产的要求；而单一生物防治手段，如生防菌剂，因田间定殖效率低、环境适应性差，防效稳定性不足，其核心原因在于根际微生态调控机制不明，缺乏靶向性的功能菌与调控因子。根际微生物组是植物与土壤环境互作的关键界面，其群落结构与功能直接决定植物健康状态。近年来，随着组学技术的发展，越来越多的研究证实，宿主植物可通过根系分泌物调控根际微生物组组装，招募有益菌群、抑制病原菌定殖，从而构建抗病微生态。然而，目前相关研究多聚焦于作物与蔬菜系统，针对药用植物的研究仍较为匮乏：一方面，当归根际微生物组在健康与发病状态下的失衡特征尚不明确，核心有益菌群与病原菌的互作机制缺乏系统解析；另一方面，宿主根系代谢物如何驱动根际微生物组组装，尤其是脂质类信号分子在调控有益菌功能、抑制病原菌中的作用机制尚未阐明，限制了基于 “代谢组 - 微生物组” 协同调控的绿色防控技术开发。

本研究以健康与根腐病当归植株为研究对象，通过扩增子、宏基因组测序、非靶向代谢组学联合分析，解析当归根际微生物组与代谢组的差异特征，筛选调控根际菌群组装的关键代谢物与功能菌株；结合菌株分离鉴定、体外功能验证、盆栽与田间试验，揭示宿主脂质代谢物调控链霉菌定殖与抑菌功能、抑制尖孢镰刀菌侵染的分子机制，并开发 “脂质益生元 + 链霉菌益生菌” 的合生菌防控技术。本研究旨在阐明当归根际微生态失衡引发根腐病的机制，揭示代谢组驱动根际微生物组组装调控宿主抗病性的新机制，为当归根腐病的绿色防控提供理论依据与技术支撑，同时为其他药用植物土传病害的可持续治理提供可借鉴的研究范式。

研究结果

3.1 根腐病重塑当归根际微生物组成并差异化招募细菌与真菌群落

为明确根腐病对当归根际微生物群落的影响，研究对田间健康（HRS）与患病（DRS）植株根际土壤进行16S rRNA和ITS扩增子测序，质控后获得7288个细菌ASVs和2939个真菌ASVs。经门水平组成分析、α/β多样性分析与属水平差异比较，最终发现健康与患病根际在细菌群落结构上存在显著分离，而非α多样性差异。门水平丰度显示，DRS中子囊菌门显著升高、担子菌门与毛霉菌门降低；细菌中放线菌门升高，绿弯菌门与拟杆菌门降低。属水平标记物种分析表明，镰刀菌属是唯一在DRS中显著富集的属，而链霉菌属与Pir4谱系则在HRS中特异性富集。功能相关性表明，土壤理化性质在两处理间无显著差异，细菌群落结构变化而非真菌或环境因子主导了当归健康状态的差异。以上结果成功构建了根腐病胁迫下当归根际细菌群落结构变化的差异图谱，并锁定链霉菌属与镰刀菌属为健康与患病状态的关键指示类群。

3.2 健康根际土壤中脂质代谢相关基因与脂质组分协同富集

健康根际土壤（HRS）与根腐病根际土壤（DRS）的宏基因组与代谢组学联合分析结果。研究通过对根际样品进行鸟枪法宏基因组测序，经从头组装共获得3,254,901个重叠群（平均每个样品325,490个），并将所有基因注释至KEGG数据库。经主坐标分析（PCoA）与差异功能通路比较，共识别出HRS与DRS之间功能基因组成的显著分离，并依据KEGG富集分析，最终确定三条脂质代谢相关通路（类固醇降解、PPAR信号通路、α-亚麻酸代谢）在HRS中显著富集。类固醇降解通路中的关键基因choD、cyp和hsaD在HRS中同样显著富集。物种分类溯源分析表明，富集的类固醇降解通路主要来源于链霉菌科，其在HRS中的相对比例高于DRS。同时，对根际代谢物进行非靶向代谢组学检测，共鉴定出1978种代谢物，主要为脂类、苯丙素类、苯类及有机杂环化合物。经正交偏最小二乘判别分析，第一和第二主成分显著区分HRS与DRS样本。依据投影变量重要性、差异倍数及显著性筛选，HRS中9种代谢物显著上调、7种下调；上调代谢物中包含6种脂类化合物（茉莉酸甲酯、磷脂酰胆碱、2-甲氧基雌酮、油菜素内酯、大豆皂苷I和1,11-十一烷二羧酸）。代谢组与微生物组关联分析显示，链霉菌属相对丰度与茉莉酸甲酯、1,11-十一烷二羧酸及油菜素内酯呈显著正相关；镰刀菌属仅与1,11-十一烷二羧酸呈显著负相关。以上结果成功构建了健康根际土壤中脂质代谢功能基因与脂质代谢物协同富集的图谱，且该特征主要与链霉菌属相关。

3.3 链霉菌分离株可有效抑制尖孢镰刀菌的生长

健康与患病根际土壤中真菌及链霉菌的分离与致病性测定结果。研究通过对根际样品进行梯度稀释涂布分离，共获得234株真菌分离株和29株链霉菌分离株。经形态学与ITS/16S鉴定，镰刀菌属为相对分离率最高的真菌类群。盆栽回接实验表明，在供试的5种镰刀菌菌株中，尖孢镰刀菌220的病情指数最高，接种植株表现出典型根腐病症状（腐烂率>79%），因此被确定为关键致病真菌。平板对峙实验显示，29株链霉菌中有10株对尖孢镰刀菌220具有拮抗能力，其中菌株S15的拮抗率最高（19.54%），其16S rRNA基因与HRS中富集的ASV1448同源性为100%。以上结果成功鉴定出根腐病的关键病原菌尖孢镰刀菌220，以及具有强拮抗活性的潜在益生菌株链霉菌S15。

3.4 当归优先富集携带类固醇降解基因的链霉菌

链霉菌S15的基因组分析与功能验证结果。研究通过对S15菌株进行全基因组测序，获得包含214个脂质转运和代谢相关基因的基因组序列，并检测到类固醇降解通路中的choD、cyp等基因。通过简并引物扩增，从S1、S3、S15菌株中均检测到类固醇降解基因。体外实验表明，茉莉酸甲酯（MeJA）和油菜素内酯（BR）可显著促进S1、S3、S15菌株的生物量积累，但对尖孢镰刀菌220无直接促进作用。转录组分析显示，MeJA和BR上调了S15中与链霉素生物合成、生物膜形成、孢子形成、类固醇羟化酶及长链脂肪酸代谢相关基因的表达。碳源利用实验证实S15可以MeJA和BR为唯一碳源增殖。生物膜定量与发酵液拮抗实验表明，添加MeJA或BR显著增强S15的生物膜形成能力和发酵液对尖孢镰刀菌的拮抗能力。土壤微宇宙实验显示，MeJA和BR处理显著提高了根际中S15的菌落形成单位（CFU），同时降低了尖孢镰刀菌的密度。以上结果成功揭示了脂质代谢物通过促进链霉菌生长、生物膜形成及抗生素合成来增强其根际定殖与病原拮抗功能的机制。

3.5 生元（脂质+链霉菌S15）增强根腐病防治效果并重塑根际细菌群落

图5是益生菌、益生元及合生元处理的盆栽与田间试验结果。研究通过设置链霉菌S15（益生菌）、茉莉酸甲酯/油菜素内酯（益生元）及S15+脂质（合生元）等处理，对当归幼苗进行接种并挑战尖孢镰刀菌220。经病情指数统计、qPCR定量及16S测序分析，共识别出合生元处理相较于单处理具有更优的病害抑制效果。结果显示，两种合生元处理均显著降低根腐病病情指数，且对根际尖孢镰刀菌基因拷贝数的抑制效果优于单独的益生菌或益生元处理。根际细菌群落分析鉴定出两个链霉菌ASV：ASV135（与S15同源性100%）和ASV400（同源性97.23%）。合生元处理显著提高了ASV135的相对丰度，且ASV135丰度与尖孢镰刀菌基因拷贝数呈显著负相关（ρ=-0.44，P=0.033）。田间试验进一步验证，S15-脂质混合物处理使根腐病严重度降低23.9%。以上结果成功构建了合生元通过富集S15同源链霉菌ASV、抑制病原菌从而增强当归根腐病抗性的功能验证图谱，为药用植物病害的合生元防控策略提供了实证依据。

3.6脂质招募链霉菌增强当归根腐病抑制性的概念模型

综合上述多组学与功能验证结果，图6构建了当归根腐病抑制机制的概念模型。该模型表明，当归根系分泌的关键脂质信号物质（茉莉酸甲酯和油菜素内酯）通过以下途径增强根腐病抗性：脂质代谢物促进携带类固醇降解基因的链霉菌在根际定殖，同时上调链霉菌的孢子形成、生物膜生成及链霉素生物合成相关基因表达；富集的链霉菌一方面直接拮抗病原菌尖孢镰刀菌，另一方面增强植物根系抗性，最终降低根腐病病情指数。该模型系统阐释了“代谢组驱动的根际微生物组组装”决定当归健康的机制。

文章总结

本研究以重要药用植物当归为对象，针对由尖孢镰刀菌引起的根腐病这一严重制约产业发展的土传病害，综合利用扩增子测序、宏基因组学、非靶向代谢组学、微生物分离培养、转录组学以及盆栽与田间试验等多组学与功能验证技术，系统解析了健康与患病植株根际微生物组的组装差异，揭示了当归通过根系分泌特定脂质代谢物招募类固醇降解型链霉菌、增强根际免疫的分子机制，为药用植物病害的绿色防控提供了理论依据与合生元（益生菌+益生元）新策略。

研究首先对健康（HRS）与根腐病（DRS）根际土壤进行16S/ITS测序，发现细菌群落结构在两组间显著分离，而真菌群落无显著差异；患病根际中镰刀菌属丰度显著上升，健康根际中链霉菌属丰度显著上升，表明链霉菌的耗竭与病害发生密切相关。宏基因组分析显示，健康根际中脂质代谢相关通路（类固醇降解、PPAR信号通路、α-亚麻酸代谢）显著富集，且这些通路主要来源于链霉菌科；关键基因choD、cyp、hsaD在健康根际中高表达。非靶向代谢组学从根际中共鉴定出1978种代谢物，健康根际中9种代谢物显著上调，其中6种为脂类化合物，包括茉莉酸甲酯（MeJA）和油菜素内酯（BR）。关联分析表明，MeJA和BR含量与链霉菌属丰度呈显著正相关，与镰刀菌属无正相关或负相关。

为验证关键功能菌株，研究从根际分离获得234株真菌和29株链霉菌，确定尖孢镰刀菌220为最强致病菌，并筛选出拮抗率高达19.54%的链霉菌S15。S15基因组携带类固醇降解基因，且其16S rRNA与健康根际富集的ASV1448同源性100%。体外及转录组实验证实，MeJA和BR可被S15作为唯一碳源利用，显著促进其生长、生物膜形成及链霉素生物合成相关基因的表达，同时增强发酵液对镰刀菌的拮抗能力。盆栽与田间试验进一步表明，合生元（S15+脂质）处理比单独使用益生菌或益生元更显著地降低根腐病病情指数，使根际中S15同源ASV（ASV135）丰度提升、病原菌基因拷贝数下降，田间病害严重度降低23.9%。

综上所述，本研究首次构建了“当归根系分泌茉莉酸甲酯和油菜素内酯→招募携带类固醇降解基因的链霉菌→增强链霉菌定殖、生物膜形成与抗生素合成→抑制尖孢镰刀菌”的根腐病抵御模型。该工作从代谢组驱动微生物组组装的角度阐明了植物-微生物互作决定宿主健康的机制，并成功将合生元策略应用于药用植物病害防治，为开发可持续的精准微生物组管理工具、减少化学农药依赖提供了重要的理论创新与实践范例。