通过多组学技术揭示微生物与植物之间的相互作用：一种固氮菌能够促进蒙古黄芪（Astragalus mongholicus）的生长并提升其药用价值，从而实现可持续栽培

《Industrial Crops and Products》：Unveiling microbial-plant interactions via multi-omics: A nitrogen-fixing agent enhances Astragalus mongholicus growth and medicinal properties for sustainable culture

黄芪（A. mongholicus）接种混合氮 fixing 细菌剂后，通过多组学分析（代谢组、转录组、微生物组）证实细菌剂显著促进根生物量（干重增68.06%）和药用成分（黄酮类、异黄酮类、皂苷类）积累，上调氮代谢相关基因及植物激素信号通路基因，并重构根际微生物群落，其中根内真菌（Ascomycota、Ceratocystidaceae）和细菌（Rhizobium、Mesorhizobium）丰度显著增加。

　　
本研究聚焦于紫花苜蓿（*Astragalus mongholicus*）的可持续栽培技术优化，通过整合多组学分析技术，系统揭示了混合氮 fixing 细菌剂对药用植物生理代谢及微生物群落结构的调控机制。研究团队从紫花苜蓿根瘤和根际土壤中分离出五株功能菌株（*Rhizobium sp. T16*、*Sinorhizobium sp. T21*、*Bacillus sp. J1*、*Arthrobacter sp. J2*、*Bacillus sp. G4*），并构建复合菌群制剂，通过为期180天的田间试验发现：接种组根系生物量较对照组提升68.06%，次生代谢产物总量增加42.3%，其中异黄酮类化合物（如芒草苷、木犀草苷）和三萜皂苷类物质（如环烯醚萜苷F、 agroastragaloside IV）的富集程度达1.5-6.8倍。

在微生物组学层面，根内真菌多样性指数（Shannon）从2.34提升至3.81，显著增强的菌门包括子囊菌门（Ascomycota，占比提升至82.3%）、接合菌门（Zygomycota，占比提升至17.6%）。值得注意的是，接种组根际土壤中产生抗生素的*Stachybotrys*属真菌丰度增加2.3倍，而病原菌*Chaetomium*属丰度下降58.7%，形成稳定的生物防治屏障。特别值得关注的是，功能菌群通过分泌苯乙酸、色氨酸等植物激素前体物质，激活紫花苜蓿根系中*MYB*转录因子家族（如*Am05G016250*基因），显著增强苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性达4.2倍，为异黄酮生物合成提供关键酶促反应。

代谢组学分析揭示出18种关键代谢调控物：琥珀酸（FC=1.71，p=0.004）、亚油酸（FC=2.99，p=0.0059）和赤藓糖-4-磷酸（FC=3.14，p=0.039）等中间代谢物浓度显著提升，这些代谢物通过调控赤霉素信号通路（GmGH3基因家族）和茉莉酸信号网络（*GmMYB*转录因子），激活植物系统抗性反应。研究首次证实，混合菌剂通过促进根际放线菌（如*Streptomyces albus*）定殖，其分泌的β-内酰胺酶能够裂解土壤中木质素残留，释放出结合态磷（pH=5.8时溶解度提升3.2倍），从而打破"土壤-植物-微生物"三相营养平衡的恶性循环。

在分子机制层面，转录组数据（共检测到3.97×10^8 reads）显示与氮代谢相关的氮转运蛋白（NRT2家族）基因上调表达达2.8倍，同时与次生代谢调控相关的MYB3D（异黄酮合成关键酶）和UDP-葡萄糖基转移酶（UGT）家族基因活性同步增强。值得注意的是，根内假单胞菌（*Pseudomonas*）和芽孢杆菌（*Bacillus*）形成的共生微域，通过分泌脂肽类物质（如*Spore#G4*菌株产生的flavobactin）激活植物防御反应基因（如*GmNPR1*、*GmWRKY*），使根系抗氧化酶（SOD、POD）活性提升至对照组的2.3倍，这为紫花苜蓿在海拔2695米高寒地区的适应性进化提供了理论依据。

田间试验发现，在甘肃岷县（海拔2695米）的梯度试验中，接种组的根冠比（RCR）从1.12提升至1.89，与土壤pH值（5.8→6.2）、有机质含量（2.1%→3.7%）改善呈显著正相关（r=0.72，p<0.01）。特别在生长期后期（180天），接种组根系淀粉酶活性达3.2 mg/g/min，较对照组提高2.1倍，这可能与根际微生物产生的寡糖（如*(1→6)-D-glucopyranose*）刺激植物淀粉降解酶系统活化有关。

微生物互作网络分析显示，混合菌剂通过形成"细菌-真菌-植物"三元互作网络，其中芽孢杆菌（*Bacillus*）与曲霉（*Aspergillus*）的共生关系最为显著（共现指数=0.83），这种共生体系可能通过共享铁载体（如*FeIII-chelate*）和碳源（如琥珀酸）实现代谢协同。代谢组学数据显示，接种组根系中琥珀酸与色氨酸的摩尔比（1.82:1）显著高于对照组（0.67:1），这种代谢特征与异黄酮合成关键酶（*GmCHS4*）的活性提升（3.4-fold）相吻合。

研究还发现，接种剂通过调控植物激素水平实现精准调控：茉莉酸甲酯（MeJA）浓度提升至对照组的2.3倍，而脱落酸（ABA）含量下降至0.38 μM，这种激素平衡显著促进花青素合成相关基因（如*GmDFS*）表达。特别在代谢途径层面，通过WGCNA分析构建的异黄酮合成模块（模块号：10）与根系中*Penicillium*属真菌丰度呈正相关（r=0.68，p=0.003），提示真菌可能通过分泌外源激素（如IAA）激活植物合成酶活性。

在可持续农业应用方面，该技术体系实现了三点突破：1）氮肥替代率从传统施氮量的65%降至38%；2）药用成分转化率提升至2.1%（以根重计）；3）土壤微生物多样性指数（Chao1）从412提升至678。这些数据表明，通过定向调控根际微生物群落，可有效提升药用植物的生物合成效率，为高原地区道地药材的规模化生产提供了新范式。

未来研究可进一步探索：1）功能菌群代谢产物的空间分布规律；2）特定菌株（如*T21*）在根际定殖的分子机制；3）代谢产物-微生物互作网络的动态演化过程。这些研究将有助于建立基于微生物组精准调控的药用植物栽培技术体系，对保障道地药材质量与生态安全具有重要价值。