基于代谢组-宏基因组联用解析中草药残渣与熏蒸联用调控根际微生态缓解连作障碍的机制

本研究针对辣椒连作导致的土传病害和根际微生态失衡问题，创新性整合熏蒸处理与穿心莲药渣(TCMR)改良，通过非靶向代谢组学(LC-MS/MS)和宏基因组学技术，揭示了熏蒸-有机改良协同调控根际代谢重编程与微生物互作的分子机制。研究发现TCMR富含黄酮类(flavonoids)和二萜内酯(diterpenoid lactones)，对尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)抑制率达70%以上；联合处理(MC/WC)通过激活花生四烯酸代谢(ko00590)和三羧酸循环(TCA cycle)通路，重建碳氮循环耦合网络，显著提升土壤酶活性和有益菌群(Nitrospira/Methylobacterium)丰度，为土传病害绿色防控提供了系统解决方案。

　　

研究背景
现代农业中，辣椒等作物的连续种植常引发严重的土传病害，如由尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)引起的枯萎病。这种现象被称为"连作障碍"，其核心在于根际微生态失衡——病原微生物增殖而有益菌群衰减，同时根系分泌的酚酸类化感物质(如肉桂酸)不断积累，形成恶性循环。传统熏蒸法虽能短期杀灭病原菌，但会破坏土壤微生物网络，反而加剧次生障碍。如何通过生态调控实现病害防控与土壤健康协同提升，成为农业可持续发展的重要命题。

研究设计与方法
云南农业大学省部共建生物资源保护与利用国家重点实验室的研究团队创新性地提出"熏蒸-中草药残渣联用"策略。研究采用UPLC-MS/MS分析穿心莲药渣(TCMR)活性成分，通过体外抑菌实验验证其抗病原菌效果；建立5种处理组(单熏蒸M1/W1、熏蒸+TCMR联用MC/WC、单纯TCMR组C1)，运用LC-MS/MS非靶向代谢组学和Illumina NovaSeq宏基因组测序技术，解析根际代谢物-微生物互作网络。

关键结果

1. TCMR的化学与生物学特性
   HPLC分析显示水提物含6种特征峰(图1)，以穿心莲内酯(andrographolide)和脱水穿心莲内酯(dehydroandrographolide)为主，其紫外吸收峰位于195-285nm(图2)。抑菌实验证实高剂量(25.76 mg/mL)TCMR对尖孢镰刀菌和茄病镰刀菌(Fusarium solani)抑制率超70%(图3)，显著优于单一熏蒸处理。

2. 代谢重编程特征
   OPLS-DA分析揭示联用处理(MC/WC)特异性上调64种代谢物(图4e)，包括：

• 膜稳定性物质：溶血磷脂酰胆碱(LysoPC 14:0)和脯氨酸(proline)
• 防御信号分子：花生四烯酸衍生物20-HETE
• 能量代谢物：柠檬酸(TCA cycle关键中间体)
  热图分析显示D-棉子糖(D-raffinose)等糖类在联用组显著富集(图5g)。

1. 微生物-代谢物互作网络
   硫氧化菌Thiomonas与20-HETE呈正相关(r=0.82,p<0.001)(图8a)，同时amoA基因(K10944)表达上调促进硝化作用(图9)。G6PD(K00036)与甜菜碱(betaine)的强关联(r=0.79)揭示了氧化应激调控新机制。

结论与意义
该研究首次阐明熏蒸-TCMR联用通过三重机制打破连作障碍：(1)直接抑菌：TCMR二萜类破坏病原菌膜结构；(2)代谢重塑：激活苯丙烷(phenylpropanoid)和谷胱甘肽代谢(ko00480)通路；(3)微生态重建：促进Nitrospira等有益菌定殖。这种"化学-生物"协同调控策略为土传病害治理提供了新范式，同时实现70万吨/年中药渣资源化利用，相关成果发表于《BMC Microbiology》对推动农业绿色转型具有重要实践价值。