早期接种丛枝菌根真菌调控田间番茄根际细菌代谢功能的长期效应

《Plant and Soil》：Early inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi shifts metabolic functions of rhizosphere bacteria in field-grown tomato plants

本研究针对开放农田生态系统中微生物接种剂对根际微生物组功能可塑性的持久影响这一尚未明晰的问题，通过田间试验揭示了在育苗期接种丛枝菌根真菌(AMF) Rhizophagus irregularis及其与独脚金内酯类似物和槲皮素协同处理，能够显著增强菌根定殖，并诱导根际细菌代谢功能发生广泛重编程（影响154个KEGG模块中的137个），包括能量代谢降低、碳水化合物降解增强、胁迫响应代谢物合成提升等变化。该研究为通过育苗期微生物干预调控根际微环境、促进可持续农业提供了新见解。

　　

在追求农业可持续发展的道路上，科学家们一直致力于挖掘土壤中微生物的潜力。其中，丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF)作为植物根系的重要共生伙伴，能够显著促进作物养分吸收并增强其抗逆性。然而，在开放农田的真实环境中，于作物育苗阶段提前接种AMF是否会对根际微生物群落产生持久影响？这种影响是仅仅体现在微生物“谁在哪儿”的种类变化上，还是更深层次地改变了它们“在做什么”的功能状态？这些问题至今尚未完全阐明。

为了回答这些问题，一个由西班牙高等科学研究委员会(CSIC)Estación Experimental del Zaidin研究中心Beatriz Moreno、Javier Lidoy和Martín Aguirrebengoa作为共同第一作者的研究团队，在番茄这一全球重要经济作物上展开了一项深入的田间试验。他们的研究成果《Early inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi shifts metabolic functions of rhizosphere bacteria in field-grown tomato plants》发表在知名期刊《Plant and Soil》上，揭示了早期菌根接种对根际细菌代谢功能的“预适应”效应，为通过微生物管理提升农业生态系统功能提供了新的视角。

研究人员开展这项研究的关键技术方法主要包括：在商业育苗场对番茄砧木进行丛枝菌根真菌Rhizophagus irregularis的接种处理，并每周施用独脚金内酯类似物GR244DO、其模拟物SL-M2以及类黄酮槲皮素等促共生信号分子；将培育7周的嫁接苗移植至西班牙格拉纳达的合作农场开放性田间，采用随机区组设计进行为期5个月的栽培；收获时采集根际土壤样品，通过组织化学染色法量化菌根定殖率，并利用针对细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS2区的扩增子测序分析微生物群落结构；最后，基于16S rRNA测序数据，使用Tax4Fun软件预测细菌群落的京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)代谢模块功能谱。

独脚金内酯与槲皮素在育苗期促进AMF共生建立

研究首先证实，在育苗期接种R. irregularis成功建立了菌根共生，尽管此时定殖水平较低。外源添加独脚金内酯类似物GR244DO、其模拟物SL-M2以及槲皮素，均能使接种苗的菌根定殖率提高约一倍。当幼苗移植至田间并生长五个月至果实收获时，未接种的对照植株也出现了菌根定殖，表明田间土壤中存在本地AMF。然而，在育苗期接种并配合SL-M2和槲皮素处理的植株，其根系的菌根定殖水平显著高于对照，凸显了早期接种结合信号分子处理的协同增效作用。

早期接种R. irregularis改变细菌代谢功能而非物种组成

尽管田间生长的所有植株最终都形成了菌根，但令人惊讶的是，育苗期的接种处理并未对收获期根际细菌或真菌群落的物种组成产生显著影响。然而，预测性宏基因组分析却揭示了一个截然不同的故事：早期接种深刻地改变了根际细菌的预测代谢功能。在检测到的154个KEGG模块中，有137个受到接种处理的显著影响，效应大小从低到中等不等。相比之下，育苗期外源添加信号分子在实验结束时未显示出显著效应。这表明，早期AMF接种对根际细菌群落的影响主要体现在功能层面，而非物种结构层面，这种功能重编程具有长期持久性。

能量代谢相关预测功能的改变

早期接种诱导了根际细菌能量代谢活动的整体下调。具体表现为与乙酰辅酶A(Acetyl-CoA)合成、同化性硝酸盐还原为氨、同化性和异化性硫酸盐还原为H₂S以及多个甲烷排放相关代谢途径的预测丰度降低。这暗示在菌根共生建立后，根际细菌可能调整了其能量代谢策略，将资源分配到更适应新微环境的其他功能上。

碳水化合物和糖代谢预测功能的调控

早期接种对根际细菌碳水化合物代谢的影响呈现异质性。一方面，Entner-Doudoroff途径、糖醛酸途径、乙基丙二酰和丙二酸半醛途径等预测功能减弱；另一方面，半乳糖降解、核苷酸糖生物合成和海藻糖途径等预测功能增强。此外，糖酵解和磷酸戊糖途径模块略有增加。同时，糖代谢(Glycan Metabolism)的预测功能也普遍增强，表明细菌可能更倾向于利用复杂的碳水化合物。

氨基酸、辅因子和维生素代谢预测功能的变化

在氨基酸代谢方面，早期接种促进了半胱氨酸、γ-氨基丁酸(GABA)、赖氨酸、甲硫氨酸和脯氨酸等氨基酸生物合成途径的预测功能，而降低了乙酰/乙酰辅酶A、赖氨酸（部分途径）、苯丙氨酸、酪氨酸和异亮氨酸等合成途径的预测功能。在辅因子和维生素代谢方面，生物素和泛酸的生物合成预测功能增强，而钴胺素、甲基萘醌和泛醌的生物合成预测功能减弱。这些变化可能与细菌的胁迫适应和与菌根植物的互作调整有关。

脂质代谢预测功能的转变

除了脂肪酸生物合成的延伸步骤预测功能增强外，早期接种总体上导致根际细菌脂质代谢相关预测功能的下降，这包括酰基甘油降解、β-氧化、酰基辅酶A、茉莉酸和三酰甘油生物合成等途径。这可能反映了在菌根共生条件下，根系分泌物中碳水化合物相对丰度增加，降低了细菌对脂质作为能源的依赖。

核苷酸代谢预测功能的调整

早期接种增加了与腺嘌呤核苷酸合成以及嘌呤和嘧啶分解代谢（分别产生尿素和氨基异丁酸）相关途径的预测功能，同时降低了嘌呤合成的预测功能。这可能暗示细菌群落周转加快或信号分子（如嘌呤核苷酸可作为信号分子）代谢活动增强。

萜类、聚酮化合物及外源物降解预测功能的调节

早期接种增强了根际细菌中与萜类和聚酮化合物生物合成相关的预测功能，特别是C₁₀-C₂₀类异戊二烯的生物合成，以及C₅异戊二烯生物合成从甲羟戊酸途径向非甲羟戊酸途径的转变。这些化合物在信号传导、抗菌和胁迫保护中发挥作用。相反，许多依赖于辅酶A的外源化合物生物降解潜力相关预测模块则普遍减少，这可能与土壤稳定性增强或乙酰辅酶A可用性变化有关。

研究结论与意义

本研究得出的核心结论是，在番茄育苗阶段进行丛枝菌根真菌R. irregularis的接种，即便植株后期在田间被本地AMF定殖，也能对根际细菌的代谢功能产生显著的“预适应”或“启动”效应，且这种效应能持续整个生长季。这种功能重编程表现为细菌代谢重心从能量密集型过程（如某些氮、硫转化）向碳水化合物降解、胁迫保护性代谢物（如某些氨基酸、萜类）合成等方向偏移。独脚金内酯模拟物SL-M2和槲皮素在育苗期表现出促进菌根建立的“益生元”潜力。

其重要意义在于：从机制上揭示了早期微生物干预如何通过改变根系分泌物等途径，持久地塑造根际微生物组的功能状态，而不必改变其物种组成。这为理解和管理农业生态系统中的植物-微生物互作提供了新视角。研究结果支持将育苗期AMF接种与特定信号分子结合作为一种有效的农业实践，通过“功能引导”而非“物种替代”的策略，定向优化根际微环境，增强作物适应能力，从而推动基于微生物组工程的可持续农业发展。这种“功能启动”策略，为实现从“知道谁在那里”到“知道他们在做什么”的根际微生态管理跨越提供了可行的路径。