连续种植下不同区域健康姜块中可培养细菌与真菌分离株谱系的地域性差异

《Rhizosphere》：Region-dependent shifts in culturable bacterial and fungal isolate profiles recovered from apparently healthy ginger rhizomes under continuous cropping

　　

摘要：生姜（Zingiber officinale Rosc.）连作常伴随着生长抑制和土壤退化，但关于与健康外观根茎相关的可培养微生物如何响应连作年限的增加，目前了解尚不充分。本研究调查了生姜生长、土壤理化性质、酶活性、自毒化合物以及根茎相关细菌和真菌可培养分离物分布情况，涉及三个生姜产区以及四种种植历史：继玉米种植后的首年生姜（CC0）以及连种1年、2年或3年的生姜（分别记为CC1、CC2和CC3）。收获时，CC3的根茎鲜重在三个产区均低于CC0，分别降低了49.5%、31.9%和43.2%，而土壤养分和酶活性表现出明显的区域依赖型响应。从健康外观的生姜根茎中共获得2,142条细菌和901条真菌分离物记录。大多数属水平的分离物分布表现出区域依赖型轨迹；然而，Cedecea属在三个产区中均从CC0下降至CC3，而Fusarium属在同一终点比较中则有所增加。排列多元方差分析（PERMANOVA）表明，区域、连作年限及其交互作用对细菌和真菌分离物分布组成均有显著影响，交互作用分别解释了52.7%和43.3%的变异。在将产区作为条件变量纳入后，偏冗余分析保留了9个与细菌和真菌分离物分布相关的变量——脲酶、总氮、速效钾、土壤有机质、酸性磷酸酶、亮氨酸氨基肽酶、10-姜辣素、6β-羟基去氧甾-4-烯-3-酮以及根茎鲜重（校正R2分别为0.813和0.755）。此外，枯草芽孢杆菌甲基养变种S-R-12-13（Bacillus methylotrophicus S-R-12-13）在体外48小时内将5种生姜来源的自毒化合物浓度降低了42.89%~78.20%，其中包括10-姜辣素降低68.61%和6β-羟基去氧甾-4-烯-3-酮降低75.48%。这些发现表明，生姜连作与根茎相关可培养组分中区域依赖型的偏移相关，而Cedecea和Fusarium在产区间表现出方向一致的CC3与CC0响应。活体分离物文库为进一步的菌株水平功能测试提供了资源，尽管田间水平的因果关系仍有待验证。

引言

生姜（Zingiber officinale Rosc.）是一种经济价值重要的作物，被广泛用作香料、食品配料和传统药物。其根茎含有多种生物活性成分，包括姜辣素、姜烯酚、姜酚和萜类相关化合物，这些成分赋予其营养、药用和商业价值（Edo等, 2025）。在主要的生姜产区，由于生产空间集中且轮作选择受限，重复栽培十分普遍。先前的研究表明，生姜连作可能伴随作物产量下降、土壤微生物群落改变、病害压力增加以及维持土壤生产力困难等问题（Wang等, 2022; Xu等, 2026）。更广泛地看，连作障碍越来越被认为是植物表现、土壤养分状况、生化过程、植物来源化合物和微生物群落相互变化的结果，而非任何单一孤立因素所致（Ding等, 2024; Liao和Xia, 2024）。近期在根际进行的研究进一步表明，单一栽培年限可能与土壤性质、微生物组成和根系来源代谢物发生协同但作物特异性的变化相关（Jiang等, 2024; Liu等, 2024）。因此，连作系统应在整合的植物-土壤-微生物框架内加以考察，而非仅由养分耗竭、病原菌积累或植物自毒作用来解释。

土壤生化环境的变化与连作响应密切相关。重复栽培可改变养分吸收、残体周转和土壤有机质动态，导致氮、磷、钾及其他养分库的复杂变化（Ding等, 2024; Zhang等, 2024）。土壤胞外酶参与有机质分解和养分转化，其对重复栽培的响应在不同酶类和种植系统间可能存在差异（Song等, 2024; Uwituze等, 2022）。因此，土壤养分和酶活性并不一定随连作年限单调变化。植物来源化合物为这一过程增添了另一维度。通过根分泌物、淋溶或残体分解释放的化合物可能对土壤微生物发挥底物、信号或抑制剂的功能，而微生物亦可反向转化这些化合物（Fadiji等, 2025）。实验证据表明，根分泌物化学成分的差异可能对细菌类群产生差异性刺激或抑制作用（Dhungana等, 2023），根系来源的化学特征可促成微生物群落的重新组装（Wen等, 2022）。在烟草和蒙古黄芪连作下，也报道了植物来源代谢物与根际或内殖微生物群落之间的类似耦合关系（Li等, 2024; Zhou等, 2024）。在本研究的先前工作中，从生姜连作根际土壤中分离或鉴定了10种化感活性化合物，其中5种对姜苗表现出自毒活性；其可提取浓度与土壤性质、酶活性、根际微生物组成、病害发生率和作物表现相关（Xu等, 2026）。由于依赖培养的分离方法可获得可培养的存活菌株，进而可对其耐受性、利用能力或转化植物来源化合物的能力进行测试，可培养组分为田间水平关联与菌株水平功能验证提供了直接桥梁。然而，这些连作相关的土壤环境变化是否伴随从健康外观生姜根茎中可恢复微生物的偏移，目前仍未解决。

植物相关微生物占据从土壤到根际再到根表和内部植物组织等空间分化的区室。由于土壤性质、根系分泌物、解剖学边界和宿主筛选在不同区室中的作用机制不同，微生物的丰富度和组成在土壤-根系连续体中可能发生显著变化（Ahmad等, 2022; Zhou等, 2022）。因此，从植物组织中恢复的微生物与周围根际土壤中的微生物相关但并非等同。在生姜中，无症状根茎含有多样的细菌类群，且在无症状组织中检测到的某些类群亦可在表现出腐烂症状的根茎中检出（Huang等, 2022）。扩增子测序结合代谢组学进一步揭示，在生姜相关生态位之间以及健康与根腐病受侵染植株之间存在细菌和真菌分布的显著差异（Wang等, 2024）。本研究选择健康外观的根茎以最小化明显病害状况作为混杂因素，并描述无症状组织相关的可培养组分；该设计并非旨在追踪先于病害发展的微生物。重要的是，分类学身份本身并不能确立生态功能。若干镰刀菌谱系可引发姜枯萎病或根茎病害（Huang等, 2024），而其他镰刀菌菌株亦可作为无症状的植物相关或内生真菌出现，并表现出多样的代谢特征（Ahmed等, 2023）。类似地，个别芽孢杆菌和木霉菌菌株可能表现出促生长或拮抗活性（Contreras-Cornejo等, 2024; Sun等, 2025），但这些功能不能赋予某属的所有成员。结合群落分析与培养及植物试验的研究同样表明，菌株水平表型需经实验验证（Kuang等, 2024）。因此，仅基于属水平分类学身份的功能解释应保持谨慎，并要求实验验证。

扩增子测序、宏基因组学、代谢组学及其他多组学方法极大拓展了我们表征植物相关微生物多样性、群落结构和代谢环境的能力（Compant等, 2025）。然而，基于序列的调查并不能直接提供可用于测试预期生态角色的存活菌株。依赖培养的方法仍然有价值，因为恢复的分离物可以被保存、表型鉴定、在菌株水平进行测序，并接受定殖、拮抗、养分活化、代谢物转化或致病性试验（Riva等, 2022）。同时，培养方法仅能恢复在所用培养基和培养条件下可生长的微生物部分，因此并不能提供植物相关微生物多样性的完整普查（Riva等, 2022; Youseif等, 2021）。这种权衡在近期将分离物恢复与培养独立分析及其功能试验相结合的植物研究中表现明显（Kuang等, 2024）。在生姜中，从健康植株根际分离的副地衣芽孢杆菌SYN-191（Bacillus paralicheniformis SYN-191）表现出拮抗和促生长相关特性，并在接种后促进了生姜生长（Sun等, 2025）。因此，依赖培养与基于序列的方法互补而非可互换。相应地，这里恢复的细菌和真菌被视为根茎相关可培养组分，样本差异以分离物恢复量、相对分离频率、属水平多样性及分离物分布组成表达，而非表现为根茎微生物组的完整变化。

此前大多数生姜微生物学研究集中于根际土壤、健康-病害对比、单一病原菌或基于测序界定的微生物群落（Huang等, 2022; Wang等, 2022; Wang等, 2024）。关于连作年限是否与跨产区健康外观生姜根茎可培养细菌和真菌组分的可重复变化相关，哪些类群（如有）在产区间表现出方向一致的响应，以及这些分离物分布如何与土壤生化条件和作物表现协变，目前仍不清楚。本研究从三个生姜产区的重复样地中采集健康外观的生姜植株，覆盖四种连作历史，从无前生姜种植历史的首年生姜种植（CC0）到连续三年生姜种植（CC3）。分离并鉴定与生姜根茎相关的可培养细菌和真菌，并将其分离物分布与植株生长特征、根茎鲜重（RhFW）、土壤理化性质、土壤酶活性以及5种先前已识别的自毒化合物（Xu等, 2026）一并评估。研究目标包括：（i）确定产区与连作年限如何与可培养细菌和真菌组分的分离物恢复量、属水平多样性和分类学分布相关；（ii）识别在产区间表现出方向一致的CC3与CC0响应的属，并评估区域校正后主要属与植物-土壤变量之间的关系；（iii）通过测试枯草芽孢杆菌甲基养变种S-R-12-13（Bacillus methylotrophicus S-R-12-13）对5种生姜来源自毒化合物的体外降解能力，提供初步的菌株水平功能验证。我们的假设是，大多数可培养分离物分布变化将强烈受产区条件影响，而较小一部分类群将表现出一致的跨区域终点响应，且部分保留的分离物将表现出可测量的转化生姜来源化合物的能力。

研究区域与连作年限

本研究在中国山东的三个主要生姜产区开展：威海市荣成市夏河镇（S1；东经120°06′，北纬37°26′；海拔38.8 m）、济南市莱芜区高庄镇（S2；东经117°46′，北纬36°29′；海拔171.2 m）和潍坊市安丘市凌河镇（S3；东经119°08′，北纬36°42′；海拔76.3 m）。S1为暖温带季风气候，年平均气温11.6 °C，年降水量约813 mm。S2具有…

连作在不同产区改变了生姜生长

三个产区的株高、茎粗和根茎产量变化见图1。所有三个性状均显著受产区、连作年限和生长阶段影响（P < 0.001；表S1）。对于株高和茎粗，区域×生长阶段的交互作用显著，而涉及连作年限的交互作用不显著。相反，根茎鲜重表现出显著的两向和三向交互…

植物与土壤对生姜连作的区域依赖型响应

本研究通过考察从健康外观根茎中恢复的可培养细菌和真菌组分，并将田间水平的分离物分布与菌株水平功能测试相结合，扩展了先前以根际为中心的生姜连作研究。观察到三种主要模式。第一，CC3在收获时的根茎鲜重在三个产区均一致低于CC0，而土壤理化性质和酶活性表现出强…

结论

本研究表明，生姜重复栽培与植株表现、土壤生化性质以及从健康外观生姜根茎中恢复的可培养细菌和真菌分离物分布中区域依赖型的变化相关。CC3的根茎鲜重在三个产区均一致低于CC0，而土壤养分状况和酶活性在产区间表现出异质性响应。大多数主要属遵循区域依赖型…

作者贡献声明（CRediT）

任宇博：软件。金辉：写作—审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，形式分析，数据管理，概念构思。徐新新：写作—初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，形式分析，数据管理。华翠萍：写作—审阅与编辑，可视化，监督，资源，项目管理，资金获取。

Xiaoyan Yang：写作 – 审阅与编辑，监督，资金支持
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。
利益冲突声明 ? 作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到国家自然科学基金 (22076195)、山东省自然科学基金青年项目 (ZR2024QB231)、中国科学院特别研究助理项目、新疆维吾尔自治区重点领域研发计划 (2025B02012-1)、甘肃省科技计划项目 (26CXGA026) 以及甘肃省知识产权项目 (24ZSCQG013) 的资助。
Xinxin Xu|Cuiping Hua|Xiaoyan Yang|Haoyue Liu|Yue Yuan|Zuhua Yan|Jingyi Liu|Yubo Ren|Hui Jin