《Journal of Agriculture and Food Research》：Leveraging Pineapple-Derived Eco-Enzyme for Sustainable Microbiome Modulation to Manage Tomato Leaf Spot Disease
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全球人口已接近80亿，并预计到2050年达到98亿，粮食生产需增加60%以满足约100亿人的需求。然而，气候变化、资源耗竭和新发害虫加剧作物病害，每年造成20–40%的产量损失，经济损失超过2200亿美元，对全球粮食安全构成严峻挑战。番茄（Solanum）为世
全球人口已接近80亿，并预计到2050年达到98亿，粮食生产需增加60%以满足约100亿人的需求。然而，气候变化、资源耗竭和新发害虫加剧作物病害，每年造成20–40%的产量损失，经济损失超过2200亿美元，对全球粮食安全构成严峻挑战。番茄（Solanum）为世界第二大生产蔬菜和重要膳食营养来源，易受Mycosphaerellaceae成员（如Cercospora spp.和Septoria spp.）等真菌性叶斑病危害，在潮湿条件下可导致严重落叶、光合能力下降和高达50%的产量损失。传统防治长期依赖合成杀菌剂，但其过度使用与病原菌抗性、人类健康风险及有益微生物群落破坏相关，例如tebuconazole可使土壤微生物多样性降低多达20%并损害氮循环等功能，番茄田间也已出现Septoria抗性菌株。植物微生物组（plant microbiome）包括叶际（phyllosphere）表生菌、内内生菌（endosphere）及根际土壤微生物，植物可招募这些群落促进生长并增强对病原和环境胁迫的抗性；Bacillus、Pseudomonas和Trichoderma等有益微生物可通过重寄生、营养竞争、抗菌代谢物产生及经茉莉酸/乙烯信号通路诱导系统抗性（induced systemic resistance, ISR）抑制病原。生态酶（eco-enzyme；又称“Jiaosu”）由有机废弃物发酵而成，可提供有益微生物和生物活性代谢物，具有抑制病原和增强植物韧性的潜力。菠萝废弃物约占果实质量的50%，富含有机酸、酚类和黄酮类物质，是理想底物；发酵可富集Lactobacillus等有益微生物并产生乳酸、脂肽等抗菌代谢物。为填补生态酶对植物微生物组及有益微生物群落富集作用认识不足的空白，研究人员对菠萝废弃物衍生生态酶（pineapple waste-derived eco-enzyme, PEE）开展了针对自然发生番茄叶斑病的田间综合评价，表征PEE的微生物和代谢特征，并结合扩增子测序（amplicon sequencing）、鸟枪法宏基因组（shotgun metagenomics）、共现网络分析（co-occurrence network analysis）和代谢组学（metabolomics）评估其防效及机制。研究人员假设PEE通过双重机制发挥作用：生物活性代谢物直接抑制病原，以及通过将植物微生物组重构为病害抑制状态并激活宿主防御反应而间接保护。研究结果显示，PEE处理使番茄叶斑病病斑面积较病害组降低74.6%，恢复光系统II最大量子产率（maximum quantum yield of photosystem II, Fv/Fm）和叶片叶绿素a（Chl-a）、叶绿素b（Chl-b）水平；叶面施用抑制叶部病原并富集有益细菌，PEE处理组富集Pseudomonas，土壤中富集Bacillus、Paenibacillus和Chitinophaga并降低Fusarium和Mycosphaerellaceae丰度；生物活性代谢物逆转功能失调并恢复宿主防御通路，宏基因组和网络分析显示PEE恢复防御相关通路及微生物网络复杂性。该研究提供了首个将PEE施用与微生物组介导的番茄叶斑病防控相联系的多组学证据，建立了可扩展的废弃物到价值生物制剂途径，为合成杀菌剂提供可持续替代方案，并有助于循环农业和减少化学投入。
论文主体解读：全球人口增长与粮食安全压力使作物病害防控成为重要议题。番茄作为世界第二大生产蔬菜，易受Mycosphaerellaceae（如Cercospora spp.、Septoria spp.）和Cladosporium等真菌性叶斑病危害，潮湿条件下可造成严重落叶、光合能力下降和高达50%的产量损失。合成杀菌剂长期过度使用带来病原抗性、健康风险和有益微生物群落破坏等问题，因此亟需可持续替代策略。植物微生物组（plant microbiome）在宿主生长和抗病中发挥关键作用，有益微生物可通过竞争、抗菌代谢物和诱导系统抗性（induced systemic resistance, ISR）抑制病原。生态酶（eco-enzyme；又称“Jiaosu”）由有机废弃物发酵产生，可携带有益微生物和生物活性代谢物；菠萝废弃物富含有机酸、酚类和黄酮类物质，是潜在理想底物。但生态酶对植物微生物组和有益微生物群落的影响尚不清楚，故研究人员开展PEE对自然发生番茄叶斑病的田间评价，并提出PEE通过直接抑菌和微生物组重构的双重机制发挥作用的假设。研究结论表明，PEE可有效减轻番茄真菌性叶斑病，并超越直接抗菌作用，通过重塑植物相关微生物组、恢复防御通路和增强生态稳定性实现可持续病害管理；其意义在于将农业废弃物转化为低成本生物防治剂，为减少合成杀菌剂依赖、支持循环农业和粮食安全提供多组学证据。
关键技术方法上，PEE以菠萝废弃物为原料在Hung Yat Farm（22°29'21"N, 114°4'35"E，Yuen Long District, Hong Kong）发酵30 d；田间小区试验于同场进行，选用约3月龄、平均株高180 cm的Solanum lycopersicum自然叶斑病植株，设健康组、病害组和PEE处理组（每组n=3，每重复3株），PEE以2%浓度每日叶面喷施和土壤浇灌50 mL/株，共30 d；采集叶片和土壤，进行非靶向LC-MS代谢组学、16S rRNA和ITS扩增子测序、叶部鸟枪法宏基因组（shotgun metagenomics）、共现网络分析（co-occurrence network analysis）及KEGG/ANCOM-BC功能分析。
研究结果如下。（1）菠萝生态酶（PEE）微生物组与代谢组组成：30 d发酵期间平均温度25.6°C，pH由4.3降至约3.1，溶解氧由65.2 mg/L降至约10.5 mg/L；发酵后细菌以Lactobacillus（50.0%）、Acetobacter（37.1%）和Komagataeibacter（7.9%）为主，真菌以Candida（96.2%）和Kazachstania（1.7%）为主；代谢组学鉴定38,445个代谢物、注释7,700个，异鼠李素、琥珀酸和松油酸等抗菌及促植物生长代谢物显著增加，并与Lactobacillus强相关；批次间微生物和代谢谱一致性较高，为后续试验提供可靠基础。（2）PEE缓解叶斑症状并提高番茄光合性能：30 d小区试验显示，PEE处理组病斑面积较病害组降低74.6%；病害组叶片萎蔫和果实损伤严重，PEE组部分恢复；病害组与健康组Chl-a为0.89 vs. 0.94 mg·g
?1、Chl-b为0.66 vs. 0.70 mg·g
?1，差异不显著，而PEE组Chl-a和Chl-b显著高于其他两组；PEE组F
v/F
m为0.77，高于病害组0.72并与健康组相当，说明PEE缓解病害诱导的生理胁迫。（3）PEE调控叶际与土壤微生物组组装：扩增子测序和PERMANOVA显示，第30天叶片和土壤细菌、真菌群落结构均明显分异，PEE对叶片真菌群落影响更强；病害组中叶部Mycosphaerellaceae（主要Cercospora ASV占该科75.5%）和Cladosporium显著富集，PEE组富集有益Pseudomonas；土壤中PEE富集Bacillus、Paenibacillus和Chitinophaga，并降低Fusarium和Mycosphaerellaceae丰度，Shannon指数显示PEE处理使微生物多样性恢复。（4）PEE诱导叶部微生物组功能变化：叶部宏基因组KEGG Orthology（KO）分析显示健康组与病害组、PEE组功能显著不同；感染叶片富集防御机制和DNA复制相关通路，同时免疫、生长调节、信号转导及碳水化合物代谢等功能受扰；PEE处理组相较病害组显著恢复CAMP resistance、β-Lactam resistance和Lipopolysaccharide biosynthesis等防御相关通路，表明微生物组介导的防御机制恢复。（5）PEE重塑微生物共现网络：真菌-真菌网络复杂度沿健康、病害、PEE处理组下降，提示真菌群落稳定性受损；跨 kingdom 细菌-真菌网络均为负相关，细菌占前10个枢纽节点80%；病害组模块度升高（0.64 vs. 健康组0.577和PEE组0.572），PEE处理使节点和边数较病害组恢复但仍低于健康组；病害Module I包含Mycosphaerellaceae病原真菌，并抑制细胞生长死亡、膜运输及氨基酸、碳水化合物、脂质和辅因子代谢等通路，PEE处理使网络和功能更接近健康状态。
讨论部分总结认为，PEE发酵过程中乳酸菌（LAB，尤以Lactobacillus和Leuconostoc）与Kazachstania等酵母协同，后期Lactobacillus和Acetobacter占细菌群落87%以上，Candida主导产生乙醇并促进乙酸等有机酸积累，pH降至3.4以下；异鼠李素和琥珀酸等抗菌及信号/碳源代谢物增加，可能参与微生物组调控。PEE通过酚类、羧酸和黄酮等直接抗真菌，并招募Pseudomonas及Bacillus、Paenibacillus、Chitinophaga等有益类群，实现直接抑菌与微生物组重塑的协同。宏基因组表明病害诱导功能失调，PEE逆转该失调并恢复CAMP resistance、β-Lactam resistance等防御通路；网络分析显示PEE部分恢复群落连通性和复杂性。农业意义上，PEE可将丰富且持续的菠萝加工废弃物转化为低成本生物防治剂，支持循环生物经济和联合国可持续发展目标；研究也指出未设商业杀菌剂阳性对照、健康+PEE组、基线qPCR病原定量和更高重复数等局限，未来需扩大验证。研究结论翻译：总之，研究表明PEE是可持续管理番茄真菌性叶斑病的有效且多功能制剂。发酵过程产生以Lactobacillus和Acetobacter为主的有益微生物及一系列抗菌代谢物，增强PEE生物活性。30 d小区试验和宏基因组分析表明，PEE的益处超出直接抗菌作用，可减轻病害症状并改善光合性能；PEE显著重构植物相关微生物组，增加叶片和土壤有益微生物群；微生物功能分析显示PEE逆转病原诱导的破坏，恢复关键防御通路并增强微生物群落生态稳定性。通过将农业废弃物转化为生物防治剂，PEE作为一种生态酶，为病原真菌所致病害提供可持续、生态友好的替代方案，符合有机农业原则并减少对合成杀菌剂的依赖；该途径既应对即时作物产量挑战，也支持长期土壤健康和生态系统稳定。
