Trichoderma在可持续小麦生产中的土壤功能角色：基于全球Meta分析与土壤宏基因组学的证据

《Soil Systems》：Soil Functional Roles of Trichoderma in Sustainable Wheat Production: Insights from a Global Meta-Analysis and Soil Metagenomics

　　

土壤微生物群落在维持土壤功能、养分循环和可持续作物生产中发挥着重要作用。木霉属（Trichoderma）等有益真菌通过增强植物表现和减少化学投入，代表了整合土壤管理的可行生物工具。然而，Trichoderma介导的效益在农业系统中的一致性及其潜在功能机制仍不清楚。本研究将全球荟萃分析（global meta-analysis）与土壤宏基因组学（soil metagenomics）相结合，评估Trichoderma对可持续小麦生产的贡献。对293项独立试验的分析表明，接种Trichoderma显著提高了小麦株高、根长、地上部和根部生物量及籽粒产量，其中根系相关性状的响应最强。物种特异性效应明显：T. afroharzianum、T. harzianum、T. asperellum、T. longibrachiatum与T. viride均表现出积极影响，而未鉴定的Trichoderma spp.则未显示显著效应。对澳大利亚和中国长期小麦土壤的宏基因组分析鉴定出45个Trichoderma归属基因（Trichoderma-assigned genes），多数与代谢相关，包括养分获取、硝酸盐还原、次生代谢物生物合成和病原抑制相关通路。这些发现表明，Trichoderma通过促进养分相关过程、加强植物-微生物互作以及支持小麦生产力，从而促进土壤功能改善。研究结果凸显了有益土壤真菌作为整合土壤管理策略中可持续组分在提高粮食生产的同时减少环境影响的潜力。

1. 引言
土壤是支撑农业生产力和粮食安全的基础资源，维持土壤功能、养分循环和病害抑制是实现可持续作物生产的关键。土壤微生物通过养分转化、有机质周转和植物-土壤互作驱动土壤功能。Trichoderma（Hypocreaceae）作为广泛存在的土壤真菌，在养分循环、植物健康和病害抑制中发挥重要作用。该属通过产生有机酸、胞外酶和植物生长调节物质增强养分有效性并促进根系发育，同时通过重寄生、抗生、竞争和诱导系统抗性抑制土传病原菌。小麦是全球重要口粮作物，但此前关于Trichoderma接种效果的报道存在不一致，因此需要综合多种植物性状和实验背景进行整合分析。本研究将全球荟萃分析与土壤宏基因组学结合，旨在量化接种效果、评估物种与环境影响并鉴定相关功能基因。

2. 材料与方法
2.1 Study 1: A Meta-Analysis to Evaluate the Effect of Trichoderma Inoculation on Wheat Growth
以Web of Science核心合集为主要数据源，检索1990年1月至2026年5月发表文献，关键词组合为（“Trichoderma”）AND（“wheat”）AND（“grow*” OR “yield” OR “biomass” OR “weight” OR “product*”）。纳入标准包括：仅使用Trichoderma作为接种物、设置未接种对照、报告定量数据，以及排除生物或非生物胁迫条件。筛选后共纳入40篇文献、293项独立试验。效应量采用自然对数响应比（LRR）计算，使用R 4.4.3中的metafor包拟合多水平随机效应模型，并通过混合效应回归和亚组分析考察异质性来源。敏感性分析采用出版聚类稳健推断（CR2）、Holm校正、基于样本量的多水平Egger型回归以及逐一剔除出版物的分析。

2.2 Study 2: Assigned Genes of Trichoderma spp. Based on Soil Metagenomics from Wheat Cropping Systems
选取澳大利亚维多利亚州Longerenong和中国山东临沂两个长期小麦轮作试验点，均采用随机完全区组设计，设免耕和常规翻耕处理，各三次重复。土壤DNA提取后采用Illumina NovaSeq 6000平台测序，clean reads经de Bruijn图方法进行宏基因组组装，使用Bowtie2比对，Prodigal预测开放阅读框，并与NCBI NR数据库进行注释。通过MEGAN中的最低共同祖先（LCA）方法进行物种分类归属，将归属到Trichoderma属的基因序列操作性地定义为Trichoderma-assigned genes。

3. 结果
3.1 Effects of Trichoderma Inoculation on Wheat Growth Parameters: A Meta-Analysis
敏感性分析显示，6个营养生长性状的合并LRR均为正，95% CR2校正置信区间在四种假定出版内采样相关性下均不包括零；样本量Egger型回归未显示小研究效应；逐一剔除出版物的分析结果稳健。各性状存在显著异质性，I²为91.8%–98.9%，H²为12.20–90.83。主分析表明，接种Trichoderma显著提高株高（n=43）、根长（n=34）、地上部鲜重（n=54）、地上部干重（n=68）、根鲜重（n=24）、根干重（n=25）和籽粒产量（n=22），而单粒质量（n=17）无显著变化。根长的LRR显著高于地上部鲜重。大田与盆栽条件下接种均产生显著正效应，株高在两种条件下均显著增加，地上部干重仅在大田条件下显著增加。物种亚组分析显示，T. harzianum（n=122）、T. asperellum（n=38）、T. afroharzianum（n=27）、T. longibrachiatum（n=20）和T. viride（n=14）均显著提高小麦生长指标，其中T. afroharzianum效应最突出；未鉴定的Trichoderma spp.（n=22）无显著效应。种子包衣和浸种处理的亚组分析显示正响应，但各应用方法重复数不均，结果属探索性。

3.2 Assigned Genes of Trichoderma spp. Identified from the Soil Metagenomics of the Wheat Cropping Systems
两个地点联合非冗余基因目录包含45个Trichoderma归属基因，其中30个在两地点均检出，10个仅在澳大利亚检出，5个仅在中国检出。功能注释显示，38个基因（84.4%）与代谢相关，其中氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢分别占13.2%、10.5%和13.2%，另24个基因归入全局与概览通路。其余7个基因中，5个参与遗传信息加工，各有1个参与细胞过程和环境影响信息处理。KEGG Level 3分类中，17个基因（37.78%）属于代谢通路；丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代谢、碳代谢、多种环境中的微生物代谢和氧化磷酸化各含2个基因；其余20个基因分布于19个其他Level 3通路。

4. 讨论
4.1 Effects of Trichoderma on Soil-Mediated Wheat Productivity and Agricultural Performance
本荟萃分析证实接种Trichoderma显著提高根系相关性状、生物量和籽粒产量，其中根长增幅最大。这可能归因于Trichoderma直接定殖根际并与根表面接触，而籽粒产量受更间接的养分和水分吸收及系统响应影响。单粒质量无显著变化，可能因其表型可塑性低于产量构成相关性状。物种间差异明显，T. afroharzianum表现出最强促生效应，其基因组富含天然产物生物合成基因簇（BGCs），包括铁载体相关基因；未鉴定物种缺乏显著效果可能由于菌株功能差异或对特定植物-土壤系统适应性不足。盆栽与大田试验均显示正效应，说明Trichoderma在不同农业环境中具有较为稳健的促生潜力。

4.2 Functional Contribution of Soil-Associated Trichoderma Genes to Nutrient Cycling and Sustainable Soil Management
宏基因组分析鉴定的Trichoderma归属基因多与基础代谢功能相关。谷氨酰胺合成酶相关基因参与调控纤维素酶生物合成，并在Trichoderma对镰刀菌等病原真菌的重寄生过程中发生显著变化；酒石酸脱氢酶基因在小麦与禾柄锈菌互作过程中上调，与抑制小麦茎锈病相关；乌头酸水合酶通过TCA循环调节有机酸代谢和次生代谢物合成，增强植物养分吸收与诱导系统抗性；细胞色素酶参与异生物降解和真菌互作防御；二氢乳清酸酶相关基因与氧化性能量代谢和核苷酸合成相关，以维持抗真菌活性。此外，两个硝酸盐还原酶相关基因可能在提高植物氮利用效率和促进生长中发挥作用，与Trichoderma调节寄主氮信号、促进根系分枝及诱导一氧化氮产生的报道一致。

5. 结论
本研究证明Trichoderma spp.可作为可持续小麦生产中整合土壤管理的生物组分。40项研究和293项实验的荟萃分析表明，在非胁迫条件下接种Trichoderma显著促进小麦生长，尤其是根系长度和生物量。宏基因组分析发现Trichoderma归属基因主要参与一般代谢功能，另有少量基因涉及氮代谢、次生代谢和水解酶。未来研究应在生物和非生物胁迫条件下评估Trichoderma的效应，并采用代谢组、蛋白质组和转录组等多组学方法进一步表征这些基因的功能与表达。