基于宏基因组分析的贝莱斯芽孢杆菌ARRI17生物防控人参根腐病机制及田间应用研究

为解决人参种植中化学农药滥用导致的生态与健康问题，研究人员通过5年全国监测和宏基因组比较分析，从高产参田土壤中筛选出贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis) ARRI17。该菌株通过产生伊枯草菌素A(Iturin A)等抗菌物质，在真实田间条件下显著抑制人参致病菌Ilyonectria mors-panacis，使根腐病发病率降低36.3%，同时促进人参生长。该研究为药用植物可持续种植提供了天然解决方案。

　　

人参作为传统药用植物，其根部富含具有抗癌、降血糖等药理活性的皂苷成分，全球市场需求持续增长。然而长达6年的种植周期中，土壤传播的病原真菌Ilyonectria mors-panacis引起的根腐病可导致20-30%产量损失，迫使种植者大量使用化学农药，这不仅违背人参"药食同源"理念，更破坏土壤微生态。尽管生物防治剂(BCA)被视为替代方案，但实验室筛选的菌株在复杂田间环境中往往难以定殖，成为制约其应用的关键瓶颈。

针对这一难题，来自韩国农业机构的研究团队创新性地采用"从田间到实验室"的反向研究策略。通过对全国范围内五年人参产量数据的系统分析，将参田划分为高产(3.54±0.46 kg/1.62 m²)和低产(0.9±0.21 kg/1.62 m²)两类，并运用宏基因组技术比较其根际微生物组差异。令人振奋的是，在高产参田土壤中，芽孢杆菌科(Bacillaceae)的相对丰度显著突出，这为后续菌株筛选提供了重要线索。

研究主要采用四大关键技术：1)基于全国31个参田的土壤宏基因组比较分析；2)双重培养法评估418株根际细菌对7种人参病原菌的抑制效果；3)高效液相色谱(HPLC)检测抗菌代谢物；4)为期2.5年的真实田间试验，特别选择I. mors-panacis自然感染率高的区域(经qPCR验证病原菌密度达10⁵ CFU/g土壤)进行验证。

【3.1 人参土壤有益微生物分离】

通过全国性调查发现，高产参田人参单株重量(2.98±0.31 kg)显著高于低产田(1.15±0.24 kg)，且根部存活率提升2.3倍。宏基因组分析揭示高产田芽孢杆菌科占比达18.7%，其中ARRI17对I. mors-panacis的抑制率达15.3%，显著高于其他测试菌株。

【3.2 ARRI17特性表征】

全基因组测序显示该菌株具有4.05 Mb环形基因组，携带surfactin、fengycin等7个次级代谢产物基因簇。HPLC证实其分泌的伊枯草菌素A浓度达4.893 mg/mL，该物质通过破坏真菌细胞膜钾离子平衡发挥杀菌作用。值得注意的是，ARRI17在pH5-11和盐浓度9% NaCl范围内均能生长，展现出极强环境适应性。

【3.3 人工感染土壤的防控效果】

在含I. mors-panacis(10 CFU/g)的土壤中，添加ARRI17富集的水稻秸秆堆肥(RSC)使参苗株高恢复至58.7±3.2 cm，较病原菌对照组增长41%。更关键的是，根腐病发病率从79.2%降至42.9%，病斑面积缩小3.8倍，证明其兼具促生长和防病双重功效。

【3.4 自然感染田间的验证】

在自然感染严重的参田，ARRI17-RSC处理组的人参栽培2.5年后，根腐病严重度指数(0-4级)中3级以上病例完全消失。qPCR监测显示ARRI17在土壤中的丰度持续增加，接种两年后达1.2×10⁶ CFU/g，揭示其良好的田间定殖能力。意外发现是传统RSC本身就含有天然ARRI17菌群，这解释了为何单独使用RSC也能使病害降低7.87%。

这项研究突破了生物防治剂"实验室有效、田间失效"的困境，首次通过全国尺度的微生物组-产量关联分析锁定关键功能菌株。其创新价值体现在三方面：首先，ARRI17与传统RSC的天然兼容性使其无需复杂工艺即可推广应用；其次，该菌株能同步解决人参种植中产量与质量安全的矛盾；最后，研究建立的"宏基因组指导-真实田间验证"技术路线，为其他作物的生物防治研究提供了范式。正如讨论部分强调的，未来研究应关注ARRI17与其他根际微生物的互作机制，以及其代谢产物对人参皂苷合成的影响，这将为开发"微生物肥料-药材品质"协同调控技术奠定基础。