解锁植物-微生物组协同效应：微生物互作性状提升马铃薯生长并推动可持续农业

本研究针对现代农业过度依赖化学投入的痛点，通过田间试验揭示了马铃薯品种的微生物互作性状（MIT）与生长性能的关联。研究人员筛选7种MIT评分差异的马铃薯品种，在生物与化学管理模式下分析其根系发育、微生物组结构及共现网络，发现高MIT品种（如Salto）在生物管理下表现优异，而化学管理会破坏微生物互作功能。该成果为培育适应可持续农业的"微生物友好型"作物提供了实证依据，发表于《npj Sustainable Agriculture》。

　　

现代农业正面临严峻挑战：化学肥料和农药的过度使用导致土壤微生物多样性下降、水体污染和温室气体排放增加。传统育种过程中，作物与微生物组的互作能力往往被忽视，使得现代栽培品种逐渐丧失招募有益微生物的能力。这种"生态失配"现象严重制约了可持续农业的发展。在此背景下，Tianci Zhao等学者提出创新思路：能否通过筛选具有强微生物互作性状（Microbiome Interactive Trait, MIT）的作物品种，在减少化学投入的同时维持高产？

研究团队选择马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为模式作物，因其全球重要性且对土壤微生物敏感。通过前期温室实验从1000个品种中筛选出7个MIT评分差异显著的品种（含商业品种Désirée作对照），在荷兰Valthermond田间开展对照试验。研究设置三类管理方案：对照组仅防治科罗拉多马铃薯甲虫，生物管理组施用两种微生物组合（Consortium B含芽孢杆菌等拮抗菌，Consortium BP添加原生生物），化学管理组包含化肥、农药及其组合。通过测量植株性状、高通量测序分析根际微生物组，结合共现网络和结构方程模型，系统解析MIT与农业管理的互作效应。

关键技术方法

研究采用多组学整合策略：①田间试验设计包含7品种×6处理×3重复；②16S rRNA（V4区）和ITS2测序分析细菌/真菌群落；③基于Bray-Curtis距离的PCoA分析β多样性；④Spearman相关性构建微生物共现网络；⑤piecewise SEM模型解析管理措施-微生物组-植物生长的级联效应。样本来自20年轮作农田，土壤参数（NO₃^--N 36.51-56.95 mg/kg）通过标准方法测定。

研究结果

MIT评分预测田间表现

高MIT品种Salto在各处理中生物量显著优于商业品种Désirée（p<0.001），其根系发育与MIT评分显著正相关（R²=0.12）。值得注意的是，Désirée虽在温室显示高MIT，田间却表现不佳，揭示环境复杂性对MIT表达的影响。

管理措施主导微生物组重构

化学管理（尤其化肥-农药组合）使细菌群落偏离对照组16%（PERMANOVA R²=0.16），真菌群落偏离25%。生物管理则保留更多原生微生物，如假单胞菌（Pseudomonas）和绿僵菌（Tolypocladium）显著富集。

微生物互作网络分化

生物管理维持1763个微生物关联（82%正相关），而化学管理仅483个（93%正相关）。后者显著减少真菌-真菌（40%→15%）和真菌-细菌（32%→22%）互作，破坏生态功能。

结构方程模型揭示管理效应

piecewise SEM显示：化学管理使微生物组结构与植物生长解耦（路径系数0.08，p>0.05），而生物管理通过调控微生物结构（PCoA1）间接促进生物量（路径系数0.31）。

结论与展望

该研究首次证实MIT评分可作为田间表现的预测指标，为"微生物组辅助育种"提供新靶点。生物管理通过增强微生物网络稳定性（平均节点度增加2.7倍）提升系统韧性，而化学投入则破坏关键功能菌群（如Chloroflexi减少42%）。这些发现对实现"双碳"目标具有启示意义：按全球马铃薯种植面积1930万公顷计算，推广高MIT品种配合生物管理，理论上可减少氮肥使用量达21万吨/年。

研究也存在局限：MIT评分机制（如根系分泌物组成）需进一步解析；土壤理化性质对MIT-环境互作的影响未量化。未来可结合GWAS（全基因组关联分析）定位MIT相关基因，或通过QTL（数量性状位点）育种创制新种质。正如作者强调，这项成果标志着农业从"化学依赖"向"生态智能"转型的重要一步，为设计下一代可持续作物系统提供了理论框架和实践蓝图。