火蚁毒液对生态相关细菌的抑制作用及其对大豆-根瘤菌共生体系的影响研究

本研究针对火蚁毒液对土壤微生物组的调控作用展开深入探讨，通过提取红火蚁(Solenopsis invicta)和热带火蚁(S. geminata)毒液生物碱，采用圆盘扩散法评估其对大豆固氮根瘤菌(Bradyrhizobium japonicum/B. elkanii)及苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt)的抑制效应。研究发现S. geminata毒液对三类细菌的抑制效果显著强于S. invicta，揭示了火蚁通过毒碱改变土壤微生态的机制，为解释火蚁入侵区大豆结瘤减少现象提供了化学依据。

　　

在农业生态系统中，火蚁(Solenopsis spp.)与作物的相互作用长期以来备受关注。尤其值得注意的是，红火蚁(S. invicta)入侵美国南部后，田间观察显示大豆根瘤数量减少达81%，这一现象暗示火蚁可能通过某种化学机制干扰大豆与固氮根瘤菌(Bradyrhizobium spp.)的共生关系。大豆作为全球重要经济作物，其与根瘤菌的共生固氮系统每年可为土壤贡献数百万吨生物氮肥，而火蚁巢穴的高密度分布（每公顷60-150巢，每巢超20万工蚁）使其与作物系统的交互成为不可忽视的生态问题。

为解析这一现象背后的化学机制，佛罗里达大学与美国农业部的研究团队在《Journal of Economic Entomology》发表研究，首次系统比较了两种火蚁毒液对土壤功能微生物的抑制作用。研究聚焦火蚁毒液的主要活性成分——哌啶类生物碱（占毒液成分95%），这类化合物已知具有广谱抗菌特性，但其对土壤微生物组特别是固氮菌的影响尚未明确。

研究采用圆盘扩散生物测定法，以大豆共生菌B. japonicum、B. elkanii和微生物杀虫剂Bt为靶标，定量分析毒液提取物的抑制效应。通过气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)精确量化生物碱含量，并引入同亚科但不产生物碱的收获蚁(Pogonomyrmex badius)作为阴性对照。

材料与方法

研究采集佛罗里达州盖恩斯维尔地区的单后型火蚁群落，通过水相-己烷双相萃取法获取毒液生物碱。细菌菌株来自美国农业部菌种保藏中心（NRRL编号：B-4507、B-4515、B-51075），采用血球计数板标准化菌悬液浓度（2.0×10⁸-2.8×10⁸ rods/mL）。实验设置1-100μL梯度剂量，通过测量抑菌圈直径（扣除7mm滤片基数）评估抑制强度。

结果

细菌对火蚁毒液的敏感性

所有测试细菌均表现出剂量依赖性抑制，S. geminata提取物对所有菌株的抑制效果显著更强（P<0.001）。值得注意的是，最低剂量（含约6ng毒液，相当于单次螫刺毒量的1%）即可抑制B. japonicum生长，显示极高生物活性。

毒碱定量分析

GC-MS检测揭示关键差异：每克S. geminata工蚁含8.884±0.14μg生物碱，较S. invicta（5.647±0.088μg）高36%。进一步分析表明，该差异源于单位重量内S. geminata工蚁数量更多（1139±49只/克 vs 801±52只/克），而非个体毒腺产量差异。

校正比较

将S. invicta毒液浓度校正至与S. geminata等同（记为Si*）后，发现S. geminata对B. japonicum和Bt的抑制仍显著更强（P<0.001），提示其毒碱分子结构可能具有更高抗菌活性。

讨论

研究首次证实火蚁毒碱可通过直接抑制根瘤菌影响大豆-微生物共生。两种火蚁的毒碱谱差异显著：S. invicta主要产生C₁₃-C₁₅链长的2-甲基-6-烷基哌啶，而S. geminata则富含C₁₁链长的反式-2-甲基-6-十一烷基哌啶及吡啶衍生物。后者分子较小的疏水链可能增强膜穿透能力，这与观察到S. geminata对革兰氏阳性菌Bt的更强抑制（13.8±0.65mm抑菌圈）相吻合。

生态学意义上，每公顷火蚁群落可携带85.4克毒碱储备，这些化合物通过螫刺、腹节振动（gaster-flagging）等行为持续释放至土壤。研究为解释火蚁入侵区农业生态系统变化提供了分子机制：毒碱的持续输入可能重塑土壤微生物群落结构，特别是抑制固氮功能群，进而影响植物氮素获取。该发现对制定火蚁综合治理策略具有指导价值，提示需同时考虑其直接危害与间接生态影响。未来研究可聚焦毒碱分子结构与抗菌活性的构效关系，以及其对土壤微生物网络的长效影响。