不同微生物菌剂对切花百合‘Siberia’品质与根际土壤微生态的响应及 Trichoderma harzianum 复合菌剂的优化机制

《Frontiers in Microbiology》：Responses of cut-lily quality and rhizosphere soil microecology to different microbial inoculants

　　

摘要：连作障碍（continuous cropping obstacles）和土传病害（soil-borne diseases）长期制约切花百合（cut lily）产业发展，微生物菌剂（microbial inoculants）已成为实现绿色生产的重要工具。为筛选适用于切花百合的高效菌剂并揭示其作用机制，本研究以优势品种‘Siberia’（Lilium ‘Siberia’）为材料，在辽宁省凌源市日光温室条件下开展田间试验，使用3种商业微生物菌剂：处理A（Shentai Trichoderma combination，含 Trichoderma harzianum 及其代谢物）、处理B（Moon composite inoculant，含 Trichoderma、Purpureocillium lilacinum、Bacillus subtilis 等）和处理C（Fengde composite inoculant，主要以 Bacillus subtilis 为主）。研究系统测定百合生长与商品性状、土壤理化性质及根际微生物群落结构，并分析“菌剂—土壤理化性质—根际微生物群落—百合综合品质”的关联机制。结果表明，处理A（Shentai Trichoderma combination）综合效果最佳，显著提高株高、茎粗和绿叶率，降低叶黄化与脱落指数。同时，其显著提高土壤总氮（TN）、总磷（TP）、有效氮（AN）和有机质（OM）含量，并优化根际微生态环境。进一步的微生物群落分析表明，处理A特异性富集 Pseudomonas 和 Streptomyces 等推定有益类群，以及 Trichoderma 和 Mucor 等功能真菌，同时降低 Fusarium 和 Rhizoctonia 等潜在病原类群相对丰度。处理A还提高细菌-真菌共发生网络（co-occurrence network）的模块度（modularity）和正相关比例，形成稳定的促生抗病功能模块。本研究阐明基于 Trichoderma 的菌剂对百合生长、土壤改良和根际微生态调控的核心作用，提示其通过优化土壤养分和重塑微生物群落结构协同提升切花百合品质与抗逆性的机制，鉴定出一种具有百合绿色生产潜力的菌剂配方，并为切花百合产业可持续发展提供理论依据和技术支撑。

百合（Lilium spp.）是全球重要观赏花卉，其切花因形态优雅、花色丰富和吉祥象征而具有较高市场价值。中国是世界最大切花百合生产国，‘Siberia’是东方百合杂交系列的代表品种。随着切花百合产业规模化发展，连作导致的土壤理化性质恶化、土传病害频发等问题日益突出，严重限制切花百合品质和产量提升。过量施用化肥和农药不仅增加生产成本，还导致土壤微生物群落失衡、环境污染和农产品农药残留。微生物群落作为土壤养分循环的驱动力，可通过分泌代谢物、活化惰性养分和抑制病原菌定殖影响植物生长与抗逆性。微生物菌剂（microbial inoculants）作为环境友好型生物防治方法，在改善作物生长、增强抗逆性和恢复土壤健康方面具有前景。有益根际微生物可强化根系、改善养分吸收、提高非生物胁迫耐受性并激活植物免疫系统。已有研究表明，Trichoderma 和 Bacillus 可抑制土传病原，并促进土壤氮、磷、钾活化；Trichoderma、Bacillus、Pseudomonas 等有益微生物在蔬菜和谷类作物中表现出促生和生物防治效果。然而，微生物菌剂在切花百合生产中的应用研究相对有限，已有研究多集中于单一菌剂或单一生长指标，缺乏对“菌剂—土壤理化性质—根际微生物群落—植物品质”互作关系的综合分析；不同菌剂配方因微生物组成、浓度和施用方法差异，其效果和机制可能不同。因此，研究人员以切花百合主要品种‘Siberia’为材料，在辽宁省凌源市日光温室开展田间小区试验，使用3种商业微生物菌剂，系统测定百合生长与商品性状、土壤理化性质和根际微生物群落结构，比较不同菌剂对根际微生物群落的调控作用，鉴定影响百合生长的关键功能微生物类群和土壤理化因子，阐明“菌剂—土壤理化性质—根际微生物群落—植物综合品质”的内在关联机制，并筛选适合切花百合绿色生产的最佳菌剂配方。该研究为切花百合产业可持续发展提供理论依据和实践指导。

关键技术方法：试验在辽宁省凌源市国家现代农业产业园凯盛农业专业合作社日光温室进行，供试材料为荷兰进口的 Lilium ‘Siberia’种球（周径16–18 cm，7,560粒），土壤为当地代表性壤土；时间为2024年10月30日至2025年3月15日。采用随机区组单因素设计，设A（神泰木霉菌组合，含 Trichoderma harzianum 及代谢物，1.0×10⁹ CFU/g）、B（慕恩复合菌剂）、C（丰德复合菌剂）和CK，3次重复，每小区3床、30 m²，总面积360 m²。测定生长与商品性状、土壤理化性质；采集根际土壤，提取DNA后对细菌16S rRNA V3–V4区和真菌ITS1区进行Illumina Novaseq 600 PE250测序，并用QIIME2与R开展多样性、LEfSe、共发生网络及Mantel分析。

3.1 不同微生物菌剂对切花百合品质的影响：通过测定生长性状和叶黄化与脱落指数（leaf yellowing and abscission index，LYAI），发现株高、茎粗和叶绿素含量在处理间差异显著。处理A促生效果最强且最稳定，株高为111.70±2.30 cm，显著高于CK的100.64±1.78 cm；茎粗为7.32±0.08 mm，显著高于CK的6.62±0.09 mm。处理A是唯一在株高和茎粗上均显著优于CK的菌剂，而处理B仅在株高上优于CK，处理C仅在茎粗上优于CK。处理B的SPAD值最高，为71.78±1.49，显著高于CK和处理A，表明处理B偏重叶绿素积累，处理A偏重生长和茎品质。其他性状处理间无显著差异；处理A绿叶率数值较高，黄叶率和落叶率数值较低，LYAI最低（53.67），但未达显著差异。

3.2 不同微生物菌剂对土壤理化性质的影响：通过测定土壤理化性质，发现种植前基础土壤偏碱性，总氮（TN）、有效氮（AN）、总磷（TP）、有效磷（AP）和有机质（OM）处于中低水平。种植后无菌剂CK的pH由7.69降至6.70，AN、AP、AK和OM较种植前分别增加77.8%、77.5%、23.4%和132.8%。菌剂处理中，处理A综合优化效果最突出，其TN、TP和AN较CK分别增加35.45%、23.46%和38.67%，OM提高至48.95 g/kg，显著高于CK。处理B显著提高有效钾（AK）和OM，处理C对AK富集最强但磷活化能力较弱。结果表明，百合种植本身可优化土壤有效养分，处理A可进一步协同提高氮、磷等关键养分，提供更均衡的土壤环境。

3.3 土壤理化参数对根际微生物群落的调控：通过Mantel检验和Spearman相关分析，发现细菌群落与pH、TN、AN等多数土壤养分指标显著正相关，真菌群落与AP和总钾（TK）显著负相关；细菌群落与TP和OM的相关性强于真菌与AK的相关性，提示细菌与土壤养分动态联系更紧密。这些根际水平机制与处理A提高株高、绿叶率和降低LYAI的农艺效果一致。

3.4 不同菌剂对根际细菌群落结构的影响
3.4.1 细菌群落多样性与结构差异：通过α多样性分析，处理C的ACE和Chao1指数最高，Shannon指数也最高；处理A和B居中，CK和BFP较低。β多样性分析中，主坐标分析、非度量多维尺度、Tukey HSD和相似性分析表明，菌剂处理组A、B、C与CK和BFP分离，处理A样本聚集度高、细菌群落结构稳定，处理B与A、C部分重叠，调控特异性较弱。

3.4.2 细菌群落组成与关键微生物类群筛选：通过Venn图和Upset分析，所有土壤共享1,014个ASV，处理A、B、C、CK和BFP分别有4,712、5,049、5,100、5,066和5,152个独特ASV。门水平优势类群包括 Pseudomonadota、Actinomycetota、Acidobacteriota、Bacteroidota、Chloroflexota 等，合计超过90%。处理A增加 Pseudomonadota 和 Actinomycetota；处理C富集 Planctomycetota 和 Gemmatimonadota；处理B主要调节 Bacteroidota 和 Chloroflexota；CK和BFP中 Acidobacteriota 和 Patescibacteria 较高。属水平上，处理A定向富集 Pseudomonas 和 Streptomyces，二者包含报道具有植物有益功能的种类，可能有助于土壤养分优化和百合抗逆性提高。

3.5 不同菌剂对根际真菌群落结构的影响
3.5.1 真菌群落多样性与结构差异：通过α多样性分析，处理C真菌ACE和Chao1指数最高，Shannon指数也最高；处理A和CK居中，处理B较低。β多样性分析显示，菌剂处理改变真菌群落结构，处理A和C与CK、BFP分离，处理A样本聚集度最高、群落结构最稳定，处理B样本分散、调控效果不稳定。

3.5.2 真菌群落组成与关键微生物筛选：通过Venn图和Upset分析，所有土壤共享180个ASV；BFP、A、B和C分别检测到383、464、434和489个独特ASV，处理A和C对真菌群落组成改变较大，处理B调控较弱；真菌独特OTU数量低于细菌，提示真菌群落稳定性较高。门水平优势类群包括 Ascomycota、Basidiomycota、Mucoromycota 等，合计超过80%。处理A显著提高 Ascomycota 和 Mucoromycota 相对丰度，抑制 Basidiomycota；处理C主要富集 Mortierellomycota 和 Ascomycota；处理B对优势门调控不显著。属水平上，处理A显著富集推定有益真菌 Trichoderma 和 Mucor，降低潜在病原类群 Fusarium 和 Rhizoctonia 的相对丰度；处理C主要富集 Mortierella；处理B对有益真菌富集较弱。

3.6 根际细菌-真菌共发生网络互作分析
3.6.1 根际土壤细菌-真菌共发生网络对菌剂的响应：通过SparCC算法构建处理特异性细菌和真菌共发生网络，结果显示处理A细菌网络模块度最高（Q=0.4200），正相关比例达88.79%，负相关比例仅16.14%，为各处理最低；网络密度0.0557、平均度4.96，处于中等水平。处理A中 Pseudomonadota 节点数量占优，并与 Bacteroidota、Acidobacteriota、Actinomycetota 等广泛连接，Actinomycetota 成为关键节点。处理A真菌网络也具有较高模块度（Q=0.3124）和正相关比例（72.35%）。结果表明，处理A促进有益菌协同互作并抑制有害类群扩散。

3.6.2 细菌-真菌群落指示物种联合筛选：通过LEfSe分析，细菌中处理A显著富集候选门、Acidobacteriota相关类群、Pseudomonadaceae、Dokdonella 等功能细菌；处理B以 Gemmatimonadota 相关类群为核心指示菌；处理C以 Acidobacteriota 相关类群为核心指示菌，主要参与基础土壤养分循环；CK和BFP以 Candidatus_Rokubacteria 和 Parvibacter 等寡营养本土细菌为主。真菌中，处理A显著富集 Trichoderma 和 Mucor；处理B以 Mortierella 为特征指示真菌；处理C以 Basidiomycota 中 Bolbitiaceae 的 Conocybe apala、Conocybe pilosa 及 Ascomycota 中 Nectriaceae 等腐生真菌为主；CK和BFP中 Fusarium 和 Rhizoctonia 等潜在病原类群丰度增加。联合分析表明，处理A构建了以候选门、Trichoderma 和 Mucor 为核心的“促生、抗病和养分活化”协同功能模块，该模块与土壤TN、AN、AP、OM改善以及株高、茎粗、种球鲜重增加和LYAI降低一致。

讨论部分指出，处理A可显著促进百合株高和茎粗，提高切花品质；茎粗是切花采后抗折和延长瓶插寿命的关键性状，与市场价值直接相关。处理A降低LYAI并富集生物防治类群，提示其可能减少农药依赖，但尚需包含减药投入处理的试验直接验证。与已有花卉微生物研究多关注单菌株或单指标不同，本研究在日光温室连作土壤条件下，系统比较三种商业菌剂对 Lilium ‘Siberia’ 生长、土壤理化性质和根际细菌-真菌群落的协同调控，整合了菌剂配方、根际微生态机制和商品品质提升。不同菌剂作用靶点存在差异：处理A以 Trichoderma 及其代谢物为核心，兼顾促生、抗病和养分活化；处理B和C分别侧重OM、AK富集和微生物群落多样性提升，但未形成功能联系，综合表现不如处理A。细菌功能方面，Pseudomonas 分泌有机酸可降低土壤pH并活化惰性磷，Streptomyces 可产生纤维素酶、蛋白酶等，加速OM分解、促进氮循环并提高AN，这与处理A提高OM、AN、AP的结果一致；CK中 Acidobacteriota 和 Patescibacteria 高丰度与土壤养分缺乏和寡营养微生物富集相关。真菌功能方面，Trichoderma 可溶解固定磷、固氮或与固氮微生物协同，并通过竞争营养和产生几丁质酶抑制 Fusarium、Rhizoctonia；Mucor 可促进根系发育、提高养分吸收效率并协同分解OM。网络分析显示，处理A网络更复杂稳定，功能冗余和生态韧性更高，Actinomycetota 与 Pseudomonadota 的正相关连接可能构成微生态屏障，Fusarium 丰度和网络连接降低。应用上，处理A在常规施肥基础上可稳定改善切花商品性状，并增强土壤养分有效性，可为凌源及北方百合主产区绿色生产提供候选；Pseudomonas、Streptomyces、Trichoderma 和 Mucor 可作为构建百合专用合成微生物群落（synthetic microbial community，SynCom）的候选菌。局限性包括未测定与养分循环和抗病相关的土壤酶活性，未通过宏基因组等技术揭示功能基因变化，未进行菌株水平追踪，且为单季单一土壤类型试验，未包括不同浓度、时期和方法处理；后续需多季多地验证并优化田间施用方案。

结论部分翻译：整合上述结果，研究人员构建了“菌剂—根际微生物—土壤理化性质—百合生长”的协同调控模型：处理A（Trichoderma组合）在引入 Trichoderma harzianum 及其代谢物后，与 Pseudomonas 和 Streptomyces 等关键细菌富集以及 Trichoderma 和 Mucor 丰度增加相关。这些有益微生物协同分解土壤有机质（OM），活化有效氮（AN）和有效磷（AP），将土壤pH调整至适宜范围，并降低 Fusarium 等潜在病原类群的相对丰度。土壤理化性质的优化进一步为有益微生物定殖和百合生长提供适宜条件，最终显著提高株高、茎粗和种球鲜重等百合生长指标，并显著降低叶黄化与脱落指数（LYAI），形成良性循环。