蚯蚓堆肥调控番茄根际细菌群落抑制根结线虫的温室效应研究

《Applied Soil Ecology》：Vermicompost-mediated suppression of root-knot nematodes relates to tomato root bacterial community composition under greenhouse conditions

本研究针对根结线虫(RKN)对设施蔬菜生产的严重威胁，通过探究蚯蚓堆肥对感染南方根结线虫(M. incognita)的番茄根际和内生细菌群落的重构作用，发现80%蚯蚓堆肥处理可显著降低根结数和根结指数(分别降低59.91%和60.54%)，并揭示其通过提高土壤pH和C/N比，促进芽孢杆菌(Bacillus)和假单胞菌(Pseudomonas)的协同富集，间接抑制根结线虫的生态调控机制，为蔬菜可持续生产和根结线虫生态治理提供科学依据。

　　

在设施蔬菜种植领域，连续耕作带来的土壤问题正成为制约产业发展的"隐形杀手"。其中，根结线虫(Root-knot nematodes, RKN)作为最具破坏力的土传病原体之一，以其高发病率、大受灾面积和难防治特点，常导致作物严重减产甚至绝收。传统化学药剂虽能短期见效，但其高毒性、高残留特性对生态环境和人体健康构成威胁，多数杀线虫剂正被逐步禁用或严格限制。在这一背景下，寻求安全高效的根结线虫生物防治措施成为当务之急。

蚯蚓堆肥作为农业有机废弃物资源化利用的典范，在改良土壤环境、防治土传病害方面展现出巨大潜力。它由蚯蚓和多种微生物共同降解有机废弃物而成，富含拮抗微生物和生物活性物质。然而，关于蚯蚓堆肥如何调控根结线虫感染条件下番茄根际微生态系统的机制尚不明确。为此，沈阳农业大学的研究团队在《Applied Soil Ecology》上发表了最新研究成果，系统揭示了蚯蚓堆肥通过重构根际细菌群落抑制根结线虫的生态机制。

研究团队采用温室盆栽实验，设置不同比例的蚯蚓堆肥与感染根结线虫的土壤混合处理，通过土壤化学性质分析、微生物数量测定、高通量测序等技术手段，系统评估了蚯蚓堆肥对土壤环境、番茄生长和根际微生物群落的影响。关键实验技术包括：土壤化学指标(pH、NH₄⁺-N、NO₃^--N等)标准化测定方法、稀释平板法进行微生物数量统计、16S rRNA基因扩增子测序分析细菌群落结构、随机森林算法筛选关键微生物类群，以及结构方程模型(Structural Equation Modeling, SEM)解析多因素间因果关系。

3.1 蚯蚓堆肥缓解根结线虫危害并改善土壤化学环境

研究发现，根结线虫感染严重抑制了番茄地上部生长，同时因根结形成导致地下生物量异常增加。蚯蚓堆肥的施用显著恢复了番茄生物量，当蚯蚓堆肥比例达到80%时，番茄地上部干重达到最大值18.09克，同时地下部干重最低，较不施肥处理降低43.02%。更重要的是，蚯蚓堆肥显著降低了根结数量和根结指数，80%施用比例处理显示出最显著的病害抑制效果，根结指数降至27.62%。这些生长恢复和病害抑制效应与蚯蚓堆肥对感染土壤的修复作用密切相关：蚯蚓堆肥有效逆转了根结线虫感染引起的土壤酸化和碳氮比下降，显著提高了土壤铵态氮和硝态氮含量。

3.2 蚯蚓堆肥重塑根际和内生细菌群落结构及多样性

蚯蚓堆肥添加显著增加了土壤微生物总量，随着施用量的增加，土壤细菌和真菌数量以及细菌/真菌比均呈上升趋势。更重要的是，多样性分析表明蚯蚓堆肥处理显著提高了根际和根内细菌群落的丰富度和多样性。主坐标分析和层次聚类分析显示，蚯蚓堆肥处理改变了细菌群落结构，且与施用比例呈现清晰的梯度关系。在属水平上，研究人员观察到关键类群的显著变化：根际中的芽孢杆菌在蚯蚓堆肥施用后显著富集；根系统内，假单胞菌成为优势菌属。

3.3 与蚯蚓堆肥诱导的根结线虫抑制相关的关键细菌类群

通过随机森林分析，研究精确识别出具有病害抑制功能的关键细菌类群。根际土壤中的主要细菌属包括芽孢杆菌、芽孢八叠球菌、赖氨酸芽孢杆菌等；番茄根系中的主要细菌属包括溶菌单胞菌、申氏菌、黄杆菌等。Spearman相关性分析进一步揭示了这些关键类群与植物健康或病害严重程度的直接联系：根际系统中，芽孢杆菌和平面丝菌的相对丰度与香农指数和根结指数呈负相关；番茄根系中，假单胞菌的丰度与Ace指数和根结指数呈负相关。动态变化追踪发现，随着蚯蚓堆肥施用量的增加，根际土壤中芽孢杆菌的相对丰度持续富集，同时根系统内假单胞菌在番茄植株非根结部位逐渐积累。

3.4 综合模型揭示病害抑制机制的通路

通过构建结构方程模型，研究系统阐明了"土壤环境-关键微生物-病害抑制-植物健康"的整体通路。模型结果清晰表明，蚯蚓堆肥通过提高土壤pH和碳氮比等因素间接抑制根结指数。关键细菌芽孢杆菌和假单胞菌不仅对根结指数产生直接显著的负效应，而且芽孢杆菌还显著促进了假单胞菌的积累。同时，这两种细菌类群对番茄植株地上部生物量均具有显著正效应。

研究结论表明，蚯蚓堆肥改良剂通过重构根系相关微生物群落的过程，能有效抑制番茄根结线虫。这一研究的关键创新发现是揭示了不同根区室间特定细菌类群的协同关系：蚯蚓堆肥施用持续富集根际中的芽孢杆菌，进而促进拮抗细菌假单胞菌在根内的积累。结构方程模型证实，线虫抑制不是通过直接的化学效应实现，而是通过这种有组织的微生物协同作用间接达成。芽孢杆菌和假单胞菌在根区室间的相互作用代表了生防效应的关键机制。

这项研究不仅为蚯蚓堆肥作为基于生态学的植物保护策略提供了坚实理论基础，也为未来设计靶向微生物组合或有机改良剂用于根结线虫的可持续治理指明了方向。特别是发现的根际细菌对内生细菌的定向驱动作用，为理解土壤微生物群落如何构建多层次、有序防御网络提供了新证据，对推动农业可持续发展具有重要意义。