生物炭诱导微生物与代谢重编程提升西洋参活性成分积累的机制研究

本研究针对西洋参(Panax quinquefolius L.)活性成分积累机制不清的问题，通过整合微生物组与代谢组学分析，揭示了生物炭通过调控根际微生物(Bacillus/Flavobacterium)和内生菌(Glomus/Acaulospora)群落结构，显著提升西洋参皂苷(如Rg3、F2)及核苷酸等活性代谢物含量的作用机制，为中药农业中生物炭的应用提供了理论依据。

　　

论文解读

在传统中药领域，西洋参(Panax quinquefolius L.)因其补气养阴的独特功效被沿用300余年，其核心活性成分——人参皂苷(ginsenosides)具有抗肿瘤、免疫调节等药理活性。然而，随着市场需求激增，栽培西洋参的活性成分含量不稳定成为制约品质的关键问题。尽管前期研究发现生物炭(biochar)能提升特定皂苷(如Re、Rg)含量，但其对西洋参整体次生代谢网络的影响机制仍不明确。济南大学与中国中医科学院的研究团队通过多组学联用策略，首次系统阐明了生物炭通过"微生物-代谢"双轴调控提升西洋参药用品质的分子机制，相关成果发表于《BMC Plant Biology》。

研究采用超高效液相色谱-质谱联用技术(UPLC-MS/MS)结合16S/ITS测序，分析了生物炭处理下西洋参根系代谢物与微生物群落的动态变化。实验设计包含对照组(CK)与1.8%生物炭处理组，采样于山东文登种植基地，通过温室盆栽结合大田埋藏法模拟实际生产条件。

生物炭重塑西洋参代谢谱
代谢组学分析显示，生物炭处理显著上调98种代谢物，包括三萜类(如ginsenoside Rg3、F2)、核苷酸(腺苷/鸟苷)和膜脂(油酸/油菜素内酯)。关键皂苷Re、Rb1、Rb2含量分别提升22.20%、16.97%和44.00%，而KEGG通路分析揭示嘌呤代谢、油菜素内酯合成等途径被显著激活。

根际微生物群落重构
生物炭使有益菌Bacteroidota相对丰度增加60.55%，促生菌Bacillus和Flavobacterium显著富集，同时降低土传病原菌Fusarium的丰度。相关性分析表明，Mycobacterium与Reyranella等菌属与皂苷积累呈正相关。

内生菌群协同增效
内生真菌Glomeromycota(尤其是Rhizophagus和Glomus)在生物炭组显著增加，而致病菌Plectosphaerella减少。值得注意的是，叶绿体内共生菌(Chloroplast)与Sphingomonas对皂苷合成的促进作用最为突出。

讨论与意义
该研究创新性揭示了生物炭通过三重机制提升西洋参品质：1)直接激活植物次生代谢通路；2)优化根际微生态，富集促生菌并抑制病原菌；3)重塑内生菌群结构，强化微生物-宿主互作。这一发现为中药栽培中生物炭的精准应用提供了理论支撑，同时为解析"土壤-微生物-药用植物"互作网络提供了范例。研究团队特别指出，生物炭诱导的Flavobacterium-Glomus协同效应可能是调控皂苷合成的核心靶点，这为后续开发微生物菌剂-生物炭联合施用技术指明了方向。