枯草芽孢杆菌在添加竹炭的情况下调节雷竹（Phyllostachys praecox）地下系统及竹笋品质的机制

《Frontiers in Plant Science》：The mechanism of Bacillus subtilis regulating the underground system and bamboo shoot quality of Lei bamboo (Phyllostachys praecox) under bamboo charcoal addition

竹笋质量提升机制研究：枯草芽孢杆菌（250 kg·hm?2）显著提高土壤有机碳氮含量，促进地下茎分蘖和根系活力，增强GA/IAA/CTK水平并抑制ABA，使竹笋糖酸比提高36.2%、蛋白质含量增加41.3%，形成"土壤化学-激素-形态-品质"级联调控机制。竹炭（1500 kg·hm?2）单独施用虽增加生物质但提高有机酸，组合应用产生拮抗效应。

　　
雷竹（Phyllostachys praecox）作为高价值经济竹种，其竹笋品质的提升始终是产业关注的焦点。近年来，微生物菌剂与生物炭在农业改良中的应用日益广泛，但针对雷竹地下系统与地上笋材品质关联机制的研究仍存在空白。2024年发表于Frontiers in Plant Science的研究，首次系统揭示了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）与竹炭单独及协同应用对雷竹生理生态调控的全链条机制，为优化竹林施肥策略提供了理论支撑与实践指导。

### 一、研究背景与核心问题
雷竹因竹笋上市早、产量高、营养丰富的特性成为南方主要栽培竹种。然而，传统施肥模式存在养分利用率低、土壤酸化加剧等问题，导致竹笋糖酸比失衡、氨基酸组分单一。现有研究多聚焦于地上笋材的化学成分分析，缺乏对地下系统（鞭根、鞭节）与激素调控网络的系统性研究。本研究创新性地构建了"土壤化学-激素信号-形态建成-品质产出"四级调控模型，填补了雷竹生物学研究的关键空白。

### 二、技术路线与实验设计
研究采用多维度验证体系，涵盖土壤理化性质、地下器官生理指标及笋材品质检测三大模块。具体实施路径如下：

1. **土壤改良剂筛选**：通过预实验确定Bacillus subtilis与竹炭的最优配比（1:6），该配比既能保证菌剂活性，又可避免竹炭过量吸附抑制菌体生长。实际田间应用时，菌剂剂量按常规推荐量250 kg·hm?2计算，竹炭则按比例折算为1500 kg·hm?2。

2. **双因子梯度设计**：设置CK对照、单一菌剂（T1）、单一改良剂（T2）及协同处理（T3）四组试验，采用随机区组设计，每个处理重复5次，确保统计可靠性。特别设计的隔离措施（石墙分隔、坡度梯度）有效规避了鞭根系统间的互作干扰。

3. **动态监测体系**：在竹笋生长期（3-4月）分阶段采集样本，结合液氮速冻保存、离体器官分析等技术创新，完整记录地下系统发育与地上笋材品质的同步变化。检测指标涵盖16项关键参数，包括土壤有机碳、氮含量，鞭根活力、激素谱系，以及笋材的糖类、蛋白质、氨基酸等组成。

### 三、核心发现与机制解析
#### （一）土壤化学与微生物互作
Bacillus subtilis处理（T1）显著提升土壤有机碳（+54.2%）和全氮（+43.7%），这主要归因于菌剂分泌胞外酶分解有机覆盖物（稻壳、竹叶），促进腐殖化进程。竹炭处理（T2）虽仅提升有机碳16.2%，但其特有的多孔结构（比表面积达450 m2/g）能长期吸附并缓释养分，特别在磷有效性方面表现突出，尽管总磷量无显著变化，但速效磷利用率提升达27.3%。

#### （二）激素调控网络的重构
通过ELISA定量分析发现，Bacillus subtilis单独应用（T1）引发显著激素谱系变化： GA（赤霉素）浓度提升38.3%，IAA（吲哚乙酸）增加17.0%，CTK（细胞分裂素）上升18.9%，而ABA（脱落酸）下降24.6%。这种激素平衡的转变激活了竹鞭分生组织程序性表达，促进鞭段（ whip segments）和芽点（buds）增殖，单米鞭段数从CK的9.2±1.3增至T1的10.1±1.5（p<0.005）。

竹炭处理（T2）则呈现应激响应特征：土壤pH从4.13升至4.46（+7.3%），导致雷竹耐酸基因（如HMA3）表达下调，引发ABA积累（+38.7%），抑制了IAA合成酶（YUC4）活性。这种酸碱胁迫诱发的激素紊乱，反而促使竹笋总酸含量提升43.2%，形成独特的风味物质基础。

#### （三）地下系统与地上品质的级联效应
1. **鞭根-鞭节协同发育**：T1处理使鞭根活力（TTC法测定）提升8.6%，鞭段数增加9.8%，这种地下器官的扩展直接通过木质部运输的氨基酸前体（如谷氨酸、丙氨酸）支撑了笋材的蛋白质合成。研究首次证实鞭段数与笋材可溶性糖含量呈显著正相关（r=0.698, p<0.01），每增加1个鞭段，对应糖含量提升0.23 mg/g。

2. **代谢流定向调控**：主成分分析（PCA）显示，GA与CTK的协同作用能显著提升糖代谢关键酶（如葡萄糖-6-磷酸酶）活性，促进淀粉分解为可溶性糖。而竹炭处理的ABA激增诱导了丙酮酸羧化酶（PEPCK）的表达，促进三羧酸循环，导致笋材有机酸（柠檬酸、苹果酸）含量提升，形成酸香平衡的风味特征。

3. **品质组分优化路径**：
- **甜脆型笋（T1）**：GA/ABA比值达2.8:1时，笋材糖酸比（SAR）最优（8.7），此时β-淀粉酶活性峰值达4.2 μg/g·min，确保淀粉充分分解为葡萄糖（+36.2%）。
- **鲜香型笋（T2）**：高ABA水平（+38.7%）激活了茉莉酸信号通路，促进苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性，使芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸）占比提升至32.7%。
- **协同失效（T3）**：竹炭表面吸附的菌体代谢产物（如IAA降解酶）导致激素平衡崩溃，表现为GA下降21.4%，同时引发CTK合成酶（CKS）的反馈抑制，造成氨基酸合成受阻，总氨基酸量下降8.8%。

#### （四）品质评价体系创新
研究构建了包含5个主成分（累计方差贡献86.3%）的综合评价模型：
1. **品质维度1**：包含糖类（葡萄糖、果糖）、淀粉及酸类指标，反映笋材的甜脆度。
2. **品质维度2**：涵盖芳香族氨基酸、木质素含量等风味物质，表征香气特征。
3. **品质维度3**：涉及鞭段密度、根活力等形态指标，体现生长势。
4. **品质维度4**：由蛋白质与膳食纤维构成，反映营养密度。
5. **品质维度5**：整合糖酸比与可溶性固形物，表征适口性。

该模型成功将T1处理定位为综合品质最优方案（F值92.4），显著优于次优的T2（F值78.9）和T3（F值65.2）。值得注意的是，T3处理中竹炭对IAA的吸附量达47.3%，直接抑制了雷竹幼苗中IAA合成酶（YUC8）的活性，导致生长素信号通路中断。

### 四、实践应用与产业启示
1. **精准施肥方案**：
- 高品质鲜食笋：推荐11月施用250 kg·hm?2枯草芽孢杆菌菌剂，配合冬季深翻埋施（15 cm土层），可维持土壤pH在4.5-5.0最优区间。
- 特色风味笋：采用1500 kg·hm?2竹炭与有机肥（牛粪+秸秆）配比，重点在竹鞭萌发期（2月）施用，此时竹炭孔隙结构能有效富集腐殖酸。

2. **时空调控技术**：
- 菌剂接种需在竹鞭休眠期（11-12月）进行，此时土壤含水量控制在60-70%，菌体存活率可达85%以上。
- 竹炭施用应避开竹笋膨大期（3月下旬至4月中旬），以免有机酸激增影响笋体质地。

3. **风险防控策略**：
- 避免菌剂与竹炭直接混合，二者最佳间隔期为30天（竹炭预处理可减少50%的抗生素吸附）。
- 氮磷钾配比需维持1:0.3:0.8，防止T2处理中过量磷沉积导致的笋材纤维化。

### 五、理论突破与学科价值
本研究首次阐明雷竹"地下-地上"品质调控的分子生态学机制：通过解析 hormone-structure互作网络，揭示了鞭根微生态（pH 4.2-4.5，TOC 60-80 g/kg）对IAA/GA/CTK比值（0.25:1.15:0.32）的阈值调控作用。当土壤有机碳超过65 g/kg临界值时，根际微生物会启动次级代谢途径，将氮源优先导向氨基酸合成而非鞭根生长。

该成果为竹类作物品质改良提供了三重理论支撑：
1. **微生物组学层面**：Bacillus subtilis可定向调控根际菌群结构（如增加固氮菌丰度15-20%），形成"菌-炭-根"协同系统。
2. **代谢工程层面**：通过编辑YUC家族基因（如YUC8过表达株系），可突破传统施肥的激素调控瓶颈。
3. **系统生物学层面**：构建的"土壤-微生物-植物激素-器官建成"四维模型，为其他竹种品质提升提供了通用框架。

### 六、研究局限与拓展方向
当前研究存在三大局限：① 实验周期仅1年，未能观测长期碳封存效应；② 未深入解析竹炭孔隙结构与微生物定殖的互作机制；③ 缺乏对竹笋采后品质衰减的动态监测。未来研究可从三个维度突破：
1. **时空拓展**：建立跨气候带（亚热带、热带）的长期定位观测站，验证模型普适性。
2. **技术升级**：开发竹炭包膜缓释技术（载药量达8.5%），解决菌剂固定难题。
3. **机制深化**：结合宏基因组测序与代谢组学，解析关键功能基因（如GA20-oxidase）的时空表达模式。

该研究不仅为雷竹提供了可量化的品质提升方案，更开创了"微生物调控-炭基材料改良-激素信号转导"三位一体的竹类作物管理范式，对推动竹林可持续经营和特色农产品开发具有重要实践价值。