宏基因组学揭示了药用作物人参（Panax notoginseng）根际微生物群落、土壤特性及其活性成分之间的相互作用

《Journal of Ginseng Research》：Metagenomics reveals an interaction among rhizosphere microbial community, soil properties and active ingredients in a medicinal crop Panax notoginseng

人参栽培模式对土壤微生物群落及药材质量的影响分析。通过对比林下栽培（UCPn）与密集栽培（ICPn）人参的土壤微生物、养分特征及药用成分，发现UCPn总皂苷含量（109.24±3.40 mg/g）显著高于ICPn（91.31±5.82 mg/g），而ICPn的Rb1+Rg1+R1含量（13.39%）略高。微生物群落分析显示，UCPn以Bradyrhizobium、Pseudomonas为主，参与碳代谢；ICPn以Variovorax、Sphingobium为主，调控磷代谢及重金属降解。土壤碳氮磷营养水平与微生物互作网络共同影响药材品质。

　　近年来，随着农业技术的不断发展，农业生产中广泛采用了密集型栽培方式，这种方式虽然在提高作物产量方面具有显著优势，但也带来了诸多生态和质量方面的问题。以中国云南和广西地区为例，Panax notoginseng（三七）作为一种对光照需求较低的药用植物，长期以来被大规模种植，以满足市场需求。然而，密集型种植模式导致土壤微生物多样性下降，病虫害频发，农药和化肥的过度使用，不仅影响了生态环境，还可能对药材质量造成负面影响。为了解决这些问题，科研人员开始探索一种更环保的栽培模式——林下种植。这种模式旨在模拟植物的自然生长环境，不仅有助于保护生态平衡，还能提升药材的品质。本研究通过对两种栽培模式下的三七进行分析，探讨其对植物生长特性、药材成分含量以及土壤微生物群落结构的影响。

在本研究中，研究人员选择了云南澜沧和寻甸地区的五个林下种植实验点，以及文山和石林地区的密集型种植实验点，分别进行三七的栽培试验。经过三年的生长周期，研究团队采集了三七的根部、茎、叶等部位的样本，并对林下种植（UCPn）和密集型种植（ICPn）的根际土壤进行了详细的分析。研究发现，林下种植三七的根系占比达到71.21%，而密集型种植三七的根系占比为74.00%。这一结果表明，虽然两种种植方式都促进了根系的发育，但林下种植三七的地上部分生长比例较低，这可能与土壤中丰富的有机质和微生物有关。相比之下，密集型种植三七的地上部分比例较高，但其根系的药材成分含量低于林下种植三七。

在药材成分分析方面，研究人员通过高效液相色谱法（HPLC）检测了三七的主要成分，包括人参皂苷Rb1、Rg1和三七皂苷R1。结果显示，林下种植三七的主根中总皂苷含量为109.24 ± 3.40 mg/g，而密集型种植三七的主根中总皂苷含量为91.31 ± 5.82 mg/g，显著低于林下种植三七。此外，三七的总皂苷含量在林下种植的根茎中达到180.25 ± 8.06 mg/g，而密集型种植的根茎中总皂苷含量为158.12 ± 7.20 mg/g。这些数据表明，林下种植方式在提升三七的皂苷含量方面具有明显优势，从而可能提高其药用价值。

为了进一步探讨这两种栽培方式对三七生长特性的影响，研究团队还分析了三七的地上与地下部分的比例、茎叶比、根茎比等农业特征。结果显示，林下种植三七的茎叶比显著低于密集型种植三七，这可能是因为林下环境中的光照条件限制了地上部分的生长，但促进了根系的发育。相反，密集型种植三七的茎叶比较高，但其地下部分的生长受到抑制。此外，三七的总产量在两种栽培方式之间存在显著差异，密集型种植三七的总产量达到5961.20 ± 1486.00 kg/hm2，而林下种植三七的总产量为2038.50 ± 675.06 kg/hm2。这表明，虽然密集型种植能够提高产量，但其对药材质量的负面影响不容忽视。

在土壤营养成分方面，研究人员对两种栽培方式下的根际土壤进行了分析，发现林下种植土壤的碳、氮、磷、钾等营养成分含量显著高于密集型种植土壤。例如，林下种植土壤的总碳（TC）、总有机碳（TOC）以及微生物生物量碳（MBC）均高于密集型种植土壤。此外，林下种植土壤的pH值较高，接近中性，这可能有助于维持土壤的稳定性，从而促进三七的生长。而在密集型种植土壤中，虽然总磷（TP）和微生物生物量磷（MBP）含量较高，但其对三七的品质影响较大，可能是因为磷的积累导致了土壤中某些有害元素的增加，如铅（Pb）、锌（Zn）、砷（As）等。

土壤微生物群落的分析是本研究的重点之一。研究人员通过宏基因组测序技术，对两种栽培方式下的根际土壤微生物进行了全面研究。结果表明，林下种植土壤中富含与氮循环相关的微生物，如Bradyrhizobium、Pseudomonas和Paraburkholderia。这些微生物在促进植物生长、提高土壤肥力方面发挥着重要作用。相比之下，密集型种植土壤中则以Variovorax和Sphingobium等微生物为主，这些微生物主要参与磷代谢，有助于提高三七的磷吸收能力。然而，由于密集型种植过程中频繁的施肥和施药，这些微生物的多样性可能受到一定影响，从而影响三七的生长环境。

研究还发现，林下种植三七的根际土壤中，某些微生物的丰度显著高于密集型种植土壤。例如，Bradyrhizobium、Pseudomonas和Paraburkholderia在林下种植土壤中的丰度较高，这些微生物能够促进氮的固定和循环，有助于提高三七的氮营养水平，从而增强其生长能力。而在密集型种植土壤中，Variovorax和Sphingobium的丰度较高，这些微生物能够参与磷的代谢，有助于提高三七的磷吸收效率。然而，由于密集型种植过程中频繁的农药和化肥使用，可能导致某些微生物群落的失衡，进而影响三七的生长和品质。

此外，研究人员还分析了微生物群落与土壤营养成分之间的相互作用。结果表明，林下种植土壤中的某些微生物与土壤中的碳、氮、磷等营养成分之间存在显著的正相关关系。例如，TOC与TCCH、TN和Cu的含量之间存在高度正相关，这可能表明这些微生物在促进土壤有机质分解和转化方面发挥了重要作用。而在密集型种植土壤中，某些微生物与土壤中的重金属含量之间存在显著的正相关关系，这可能意味着这些微生物在促进重金属的转化和富集方面具有一定的能力。

综上所述，本研究通过对比林下种植和密集型种植模式下的三七生长特性、药材成分含量以及土壤微生物群落结构，揭示了不同栽培方式对三七品质的影响机制。研究结果表明，林下种植方式能够提供更丰富的土壤营养和更平衡的微生物群落，从而有助于提高三七的总皂苷含量和药材质量。而密集型种植方式虽然能够提高产量，但可能导致土壤营养成分的失衡，进而影响三七的品质。因此，对于三七这类对光照需求较低的药用植物，采用林下种植模式可能是一种更可持续和更环保的选择，有助于缓解耕地资源紧张的问题，同时提高药材的品质和生态效益。