铝胁迫通过调控内生菌群落和光合作用影响人参生长的双效机制研究

为解决酸性土壤中铝(Al)胁迫对人参(Panax ginseng Meyer)生长的影响机制问题，研究人员开展了铝浓度梯度(0-200 mM Al2(SO4)3)对人参生理及叶内生菌群落的研究。结果表明低浓度Al(25-50 mM)促进生物量增长17-64%，而高浓度(≥75 mM)抑制生长并降低光合参数(Fv/Fm、Y(II))，同时改变以Pseudomonas和Stenotrophomonas为主的叶内生菌结构。该研究为酸性土壤人参栽培的Al管理及微生物调控提供了理论依据。

　　

在传统中药材人参的栽培过程中，土壤酸化已成为制约产业发展的关键瓶颈。随着种植年限延长，土壤pH值从5.55降至4.75，导致活性铝(Al³⁺)浓度显著升高。作为地壳含量最丰富的金属元素，铝在酸性条件下会转化为可溶性离子形态，对植物产生"低促高抑"的双重效应——这一现象虽在玉米、水稻等作物中有过报道，但对生长周期长达4-6年的人参而言，铝胁迫如何通过改变叶内生菌群落来影响光合作用和营养代谢，仍是悬而未解的难题。

中国农业科学院特产研究所的科研团队在《Scientia Horticulturae》发表的研究，首次系统揭示了铝浓度梯度(0-200 mM)对人参生长的影响阈值及微生物调控机制。通过人工气候室控制实验，研究人员采用叶绿素荧光成像(MAXI-PAM)、元素含量分析(ICP-OES)和高通量测序(16S rRNA)等技术，发现64.27 mM是抑制人参生长的半效应浓度(IC₅₀)。低浓度铝(25 mM)使叶鲜重增加17.33%，并显著提升光合效率参数Fv(0.52)和Fm(0.74)；而高浓度(200 mM)则导致叶内生菌Shannon指数从5.7骤降至1.3，关键功能菌Pseudomonas与光合参数Y(II)呈显著正相关。

【关键方法】研究采用灭菌人工土壤培养人参幼苗，设置6个Al₂(SO₄)₃浓度梯度处理90天。通过表型观察、元素含量测定、叶绿素荧光参数检测和16S rRNA测序(引物799F/1193R)，结合PLS-PM路径分析和LEfSe差异菌鉴定，解析铝胁迫下营养-微生物-光合作用的互作网络。

【研究结果】

3.1 铝处理对人参表型及生物量的影响

25-50 mM铝使叶干重提升64.49%，呈现"肥效"；≥75 mM则导致叶缘黄化卷曲，生物量下降65%。IC₅₀分析确定64.27 mM为生长抑制阈值。

3.2 叶片元素含量变化

铝和铁(Fe)含量随处理浓度增加83.15%和83.36%，而镁(Mg)、磷(P)呈"先升后降"趋势，25 mM时达峰值(增加14.51%)。

3.3 光合参数响应规律

叶绿素含量在25 mM时增至32.25 mg·g^-1，但200 mM时锐减64%。Fv/Fm和Y(II)持续下降，NPQ在100 mM时达峰值0.31，反映光系统II(PSII)受损后的能量耗散机制。

3.4 叶内生菌群落特征

25 mM处理下OTU数量增加21.7%，Gammaproteobacteria相对丰度升至86.27%；200 mM处理则使Cyanobacteria占比降至1%，Bacilli减少至1%。

3.5 关键功能菌群鉴定

LEfSe分析显示Aeromonas和Bacillus是25 mM处理的标志菌，而100-200 mM组以重金属耐受菌Paenibacillus和Ralstonia为主。共现网络揭示中浓度铝(50-75 mM)使菌群平均连接度增至10.94。

3.6 多因素互作机制

PLS-PM模型显示铝与P含量呈强负相关(path=-0.92)，而P含量与光合参数(r=0.76)及菌群多样性(r=0.99)显著正相关。Pseudomonas和Stenotrophomonas与Fv/Fm存在显著协同效应。

【结论与意义】该研究首次阐明铝胁迫通过"营养-微生物-光合"级联反应影响人参生长的机制：低浓度铝促进Mg/P吸收并富集有益菌(Aeromonas/Bacillus)，而高浓度则破坏菌群平衡，导致Cyanobacteria等光合相关菌衰减，最终抑制PSII功能。这一发现不仅为酸性土壤人参栽培的铝阈值管理(64.27 mM)提供科学依据，更提出通过接种Pseudomonas等益生菌来增强抗逆性的新策略。未来研究可针对铝耐受菌株开发微生物菌剂，或通过分子育种提升人参在酸性环境中的适应能力。