重楼根际及内生微生物组和根茎代谢组对细菌接种的差异性响应

《Rhizosphere》：Divergent responses of rhizosphere and endophytic microbiomes and rhizome metabolome of Paris polyphylla var. chinensis to bacterial inoculation

　　

摘要

过量施用化学肥料会导致药用植物品质和土壤肥力下降。微生物接种剂和生物肥料是增强植物产量的化学肥料的有前景的可持续替代品。然而，目前对其对七叶一枝花（*Paris polyphylla*）本土微生物组和代谢组影响的系统性认识仍然缺乏。本研究从中国重楼（*Paris polyphylla* var. *chinensis*, PPC）中分离并鉴定出六株优势根际细菌菌株。在此基础上，由上述六株菌组成的合成微生物制剂（SM）和一种复合芽孢杆菌生物肥料（CB）被选用于PPC的林下栽培试验。SM处理后PPC的生长显著增强，不同施肥处理间根际土壤性质差异显著。所有PPC根际土壤均表现出微生物磷限制特征，其中SM处理下的向量角值最低。根际细菌、根际真菌和内生细菌的群落组成存在显著差异。变形菌门和子囊菌门分别是根际和内生细菌及真菌中的优势门。根际细菌和内生真菌的群落组装以确定性过程为主导，而根际真菌和内生细菌的群落组装则由随机过程和确定性过程共同驱动。此外，施肥处理显著改变了根茎代谢物组成及其涉及的代谢通路。这些发现突出了微生物接种剂在促进植物生长和提高养分利用效率方面的应用前景，并为开发环保生物肥料和实现药用植物可持续栽培提供了初步见解。

引言

七叶一枝花是一种药用植物，属于百合科（Melanthiaceae）重楼属（*Paris*）（Li et al., 2023a）。华重楼（*Paris polyphylla* var. *chinensis*, PPC）是经官方认定的物种，属于二级国家重点保护野生植物，目前已在中国多个省份成功栽培。七叶一枝花的根茎已成为一种重要药材，以其抗癌、抗菌、抗炎和免疫调节作用而闻名（Duan et al., 2018）。七叶一枝花还是四十多种中成药的主要原料，包括云南白药系列和宫血宁胶囊（Cunningham et al., 2018）。大量研究表明，从七叶一枝花中分离的次生代谢物，包括皂苷（Man et al., 2018）、多糖（Shen et al., 2014）和黄酮类化合物（Mohd et al., 2018），具有广泛的生物活性。此外，甾体皂苷被认为是主要的活性成分，并表现出优异的药理学效应（Man et al., 2024）。然而，七叶一枝花的根茎需要7至8年的生长周期才能达到药用质量标准，这严重阻碍了产业的发展。

长期使用化学肥料往往会降低药用植物的品质（Liu et al., 2023）。生物防治是化学防治的主要替代方案，已成为管理植物病害的一种有前景且环保的方法（Alqahtani 2025）。生物防治剂可以促进作物养分吸收和生长，并作为管理植物病害的一种绿色策略（El-Saadony et al., 2022）。由于高效性和非毒性，植物生长促进根际细菌（PGPR）常被用作生物防治剂。先前的研究发现，枯草芽孢杆菌（*Bacillus subtilis*）和荧光假单胞菌（*Pseudomonas fluoresces*）提高了多叶重楼（*Pseudostellaria heterophylla*）的块茎产量及其活性成分多糖的积累，并有效减少了根际中病原菌镰刀菌（*Fusarium*）的丰度（Ng et al., 2024）。钾和磷被认为是七叶一枝花生长的重要养分。施用解磷细菌作为微生物制剂具有双重作用：既增强土壤养分结构，又增加植物生物量和甾体皂苷含量（Li et al., 2023b）。此外，用*Pseudomonas palleroniana* P6接种七叶一枝花可显著增加重楼素含量并明显提高土壤速效钾含量（Wu et al., 2025）。先前的研究发现，三株枯草芽孢杆菌共接种可以显著增加药用植物蒙古黄芪（*Astragalus mongolicus*）的生物量，并促进其主要次生代谢物（如黄酮类、皂苷和多糖）的积累（Shi et al., 2023）。与单菌株接种不同，多菌株混合群落可以提供功能多样性、增强对复杂环境的适应能力以及更高的定殖能力（Li et al., 2024）。无论以单菌株形式施用还是配制成微生物联合体，它们对于维持生态系统可持续性都至关重要。

土壤微生物对维持生态系统功能至关重要，既通过驱动碳循环和关键养分又通过支持植物生长（Jansson & Hofmockel, 2018）。植物根际是直接相邻于根系的临界区域，根际环境作为各种微生物群落的栖息地。此外，根际微生物组在促进养分吸收、增强抗病性和提高对多种环境的适应能力方面发挥着关键作用，最终有益于作物产量和健康（Trivedi et al., 2020）。施用微生物制剂可以促进土壤微生物群落的重组并调节其生态功能，从而有效促进植物生长（Hu et al., 2021）。对板蓝根（*Isatis indigotica*）的研究发现，接种PGPR富集了根际中的有益微生物群落（如变形菌门和子囊菌门），并显著增加了关键生物活性化合物（包括黄酮类和脂质）的含量（Yang et al., 2025）。PGPR接种还显著富集了多叶重楼根际中的有益类群，包括放线菌门和变形菌门（如慢生根瘤菌属（*Bradyrhizobium*）和*Rhodanobacter*）。这种微生物群落重组与根际代谢生物合成通路的上调相关（Ng et al., 2024）。此外，用PGPR（三种固氮细菌的混合物）接种蒙古黄芪不仅增加了其根际细菌的多样性，还显著增强了变形菌门的丰度（Shi et al., 2023）。

内生菌是定殖于健康植物内部并保持与宿主非致病关系的微生物（Mushtaq et al., 2023）。某些内生菌对植物有益，它们通过合成活性物质促进植物生长，保护植物免受病原菌侵害，并增强对不良胁迫的耐受性（El-Saadony et al., 2022, Ahammed et al., 2023, Fei et al., 2025）。内生菌还具有高度的生物合成能力，能够产生多种结构多样的次生代谢物，包括生物碱、萜类、皂苷和醌类，从而提高植物活力（Singh & Kumar, 2023）。药用植物中的内生菌与药材质量密切相关（Hou et al., 2022）。此外，微生物接种剂也可以通过调节内生微生物群落来影响植物的生长发育。PGPR枯草芽孢杆菌（*Bacillus vallismortis*）SZ-4在增强人参对立枯丝核菌（*Fusarium solani*）根腐病的防御中发挥着关键作用，这一效应是通过调节根部内生微生物群落的多样性和结构实现的（Hu et al., 2025）。土壤微生物接种剂还对与苍术（*Atractylodes lancea*）根部相关的内生细菌群落产生调节作用，富集特定的有益细菌类群，并显著促进热胁迫下的植物生长和药用成分积累（Ahammed et al., 2023）。先前对七叶一枝花中微生物制剂应用的研究主要关注其对植物生物量和药用活性成分积累的影响（Li et al., 2023b, Wu et al., 2025），而对其根际和内生微生物群落的影响则相对较少关注。

在本研究中，我们从PPC的根际土壤中分离和筛选了优势细菌，验证了它们的促生长特性，并将其配制成混合微生物制剂以研究其对植物生长和质量的影响。利用高通量测序表征了施肥条件下根际和内生微生物群落组成和多样性的调控，同时使用代谢组学阐明了微生物制剂对关键代谢物积累以及代谢物与微生物之间关联的影响。这些发现对进一步研究开发适用于药用植物的高效微生物制剂和绿色农业的可持续推进具有重要意义。

**章节摘要**

**中国重楼可培养根际细菌的筛选和分类鉴定**

本研究于2025年3月从湖北省十堰市长旺斋林下环境收集了健康无病原的PPC（坐标：110°43′37″E, 32°31′46″N）。将整株植物从土壤中拔出，通过摇动丢弃大土块。然后用细刷仔细刮去根表面残留的土壤，作为根际土壤样品。采用稀释涂布平板法分离根际细菌。我们最初将……

**PPC可培养根际微生物的促生长特性表征和16S rRNA鉴定**

PPC的根际土壤共分离出六株可培养根际细菌菌株，每种菌株表现出不同的促生长特性（表1；图S1）。结果表明，菌株A2、A3、A5和B1表现出解磷活性；A3、A5和B1表现出解钾活性；除A3外的所有菌株均能产生铁载体；A2、A3、B1和B4表现出IAA（吲哚-3-乙酸）产生能力。随后，我们对16S rRNA进行了BLAST分析……

**与PPC根际土壤相关的PGPR菌株筛选**

PGPR可用作多种植物的生物防治剂。当前关于PGPR在药用植物中应用的研究主要关注其对产量和药用成分含量的影响（Li et al., 2023b, Shi et al., 2023, Ng et al., 2024, Wu et al., 2025）。在本研究中，从PPC根际中分离出六种细菌，它们表现出不同的促生长特性（表1）。A2和A3均被鉴定为葡萄球菌属（*Staphylococcus*）。Warneri葡萄球菌（*Staphylococcus warneri*）具有……

**结论**

本研究系统评估了合成微生物制剂（SM）和复合芽孢杆菌生物肥料（CB）对PPC的生长、根际和内生微生物组以及根茎代谢组的影响。SM处理显著促进了PPC的生长。在所有施肥处理中，根际微生物均表现出磷限制而非氮限制。根际和内生微生物群落在组成和组装过程上均存在差异。

**作者贡献声明**

Meiting Li：调查研究
Yingxin Zheng：调查研究
Meilin Zhou：调查研究
Lu Gan：方法论、数据整理
Liangxue Sun：资源
Fengjian Wang：项目管理、资金获取
Yarui Cheng：写作 – 审阅与编辑、原创草稿撰写、调查研究、形式分析

**数据可用性声明**

支持本研究结论的研究数据可在NCBI序列读取档案（SRA）中获取，BioProject登录号为PRJNA1498790。

**利益冲突**

作者声明无利益冲突。

**资助**

本研究得到国家自然科学基金（32400051）和湖北省高校科技创新团队计划（T2025024）的支持。

**竞争利益声明**

? 作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

? 作者声明以下可能被视为潜在竞争利益的经济利益/个人关系：

Yarui Cheng | Meiting Li | Yingxin Zheng | Meilin Zhou | Lu Gan | Liangxue Sun | Fengjian Wang