丛枝菌根真菌Funneliformis mosseae在四环素胁迫下重塑大豆根际微生物代谢途径

《MicrobiologyOpen》：The Mycorrhizal Fungal Species Funneliformis mosseae Reshapes Rhizosphere Microbial Metabolic Pathways of Soybeans Under Tetracycline Stress

　　

研究表明，丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)在四环素暴露期间能够改变根际微生物群落，从而减轻抗生素的不利影响。研究人员假设，摩西斗管菌(Funneliformis mosseae, F. mosseae)在四环素胁迫下重塑土壤代谢物组成及相关微生物途径，且这些代谢物变化与根际微生物群落相关。为验证该假设，研究人员采用微生物学分析与代谢组学方法，研究AMF如何重塑遭受四环素胁迫的大豆根际代谢物谱。具体而言，接种F. mosseae改变了土壤代谢物谱，鉴定出34种差异代谢物，包括14种上调与20种下调化合物，主要为氨基酸、糖磷酸、脂肪酸、多酚、三萜及杂环化合物。此外，鉴定出19条差异代谢途径，并将其分为四类代谢簇：多不饱和脂肪酸与氧化应激相关代谢、碳源与能量代谢、氨基酸与含硫代谢、次生代谢与防御反应。土壤代谢物与已发表的根际微生物数据之间的相关性分析显示，包括海藻糖-6-磷酸(Trehalose-6-phosphate)在内的14种代谢物随细菌丰度增加而增加，5种代谢物减少；类似地，4种代谢物随真菌丰度增加而增加，3种减少。相关性网络分析进一步表明，16种差异代谢物与8个差异细菌属显著相关，12种差异代谢物与6个真菌属显著相关。总之，研究结果表明，F. mosseae在调节四环素污染土壤中的微生物代谢与相互作用方面发挥关键作用，为AMF减轻土壤四环素胁迫的机制提供了重要见解。

**研究背景与意义**：抗生素四环素因成本低、高效广谱而在畜禽养殖中广泛使用，中国是四环素最大消费国，残留的四环素可通过粪肥和废水进入农田土壤，因其稳定性和难降解性而持续存在，威胁土壤生态和食品安全。丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)可增强植物对重金属、干旱和有机污染物的抗性，但AMF如何通过重塑根际代谢物来调控微生物群落，在四环素胁迫下的机制仍不清楚。本研究基于前期已发现的F. mosseae显著改变根际微生物群落组成这一结果，进一步从代谢组学角度揭示其潜在机制，为AMF修复抗生素污染土壤提供理论依据。相关论文发表在《MicrobiologyOpen》。

**研究设计与技术方法**：研究在哈尔滨工业大学试验场进行盆栽试验，供试土壤为冷区黑色钙质土，大豆品种为HN48，AMF菌株分离自北京市农林科学院植物营养与资源研究所。试验设置四个处理：自然生长对照(CK)、仅四环素(ST)、仅接种F. mosseae(SF)以及四环素+F. mosseae联合处理(FT)，每处理3个生物学重复。在种植后75天（AMF定殖高峰期）采集根际土壤，采用超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)进行非靶向代谢组学分析，并结合前期已发表的根际微生物群落数据进行代谢物-微生物关联分析。主要方法包括：主成分分析(PCA)、正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)、差异代谢物筛选（火山图）、KEGG通路富集分析，以及基于Pearson/Spearman相关和共现网络分析。

**结果**（保留原文小节标题）：

**3.1 土壤代谢组学数据分析与分类注释**：通过PCA得分图显示各处理组内聚集、组间分离，表明F. mosseae定殖显著改变根际代谢物组成。共鉴定出389种已知代谢物，经KEGG通路注释，这些代谢物主要归属于代谢和生物体系统两大类，其中涉及脂质代谢、氨基酸代谢等。

**3.2 差异土壤代谢物分析**：在FT-vs-ST比较组中，共鉴定出34种差异代谢物，其中14种上调、20种下调。上调化合物包括舒林酸硫化物(Sulindac sulfide)、氟噻草胺(Flumioxazin)、熊果酸(Ursolic acid)等；下调化合物包括甘氨酸(Glycine)、α-亚麻酸(α-Linolenic acid)、海藻糖-6-磷酸(Trehalose-6-phosphate)、5'-甲硫腺苷(5'-Methylthioadenosine)等。这些差异代谢物涵盖氨基酸、糖磷酸、脂肪酸、多酚等初级和次级代谢产物，表明F. mosseae显著改变了根际土壤代谢物的积累和组成。

**3.3 差异土壤代谢途径分析**：对差异代谢物进行KEGG通路富集，共得到19条差异代谢途径，可归为四类：多不饱和脂肪酸与氧化应激相关代谢（如不饱和脂肪酸生物合成、铁死亡通路）、碳源与能量代谢（如丁酸代谢、淀粉与蔗糖代谢）、氨基酸与含硫代谢（如半胱氨酸和甲硫氨酸代谢、苯丙氨酸代谢）以及次生代谢与防御反应（如次生代谢物生物合成、二芳基庚烷和姜醇生物合成）。

**3.4 根际代谢物与微生物相对丰度相关性分析**：将差异代谢物与差异微生物属的总相对丰度进行相关分析，发现19种代谢物与细菌丰度显著相关，7种与真菌丰度显著相关。其中海藻糖-6-磷酸、(R)-3-羟基丁酸等与细菌丰度正相关，壬二酸、延胡索酸等与细菌丰度负相关；2'-羟大豆黄素、去甲乌药碱等与真菌丰度正相关，硬卟啉、21-脱氧皮质醇等负相关。总体而言，代谢物与细菌的相关性强于与真菌的。

**3.5 差异代谢物与单一微生物关联网络**：网络分析显示，16种差异代谢物与8个细菌属显著相关，12种差异代谢物与6个真菌属显著相关。例如，固氮螺菌属(Azotobacter)与(R)-3-羟基丁酸及多种次级代谢物呈强正相关，鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)与海藻糖-6-磷酸等正相关，而脱氯单胞菌属(Dechlorosoma)与上述代谢物负相关；真菌中，轮枝菌属(Verticillium)与多种保护性代谢物正相关，而Cladorrhinum属则与神经酰胺磷酸酯等负相关。同一代谢物在不同微生物类群中呈现相反关联，表明细菌和真菌在胁迫响应中具有功能互补或拮抗作用。

**讨论与结论**：研究表明，F. mosseae在四环素胁迫下通过调节多不饱和脂肪酸代谢、碳能量代谢、氨基酸硫代谢和次生代谢网络，重塑根际微生物代谢环境，增强微生物的代谢稳态和胁迫抵抗能力。代谢物-微生物关联分析提示，F. mosseae可能通过改变根系分泌物和代谢物谱，进而调控特定微生物类群的富集，微生物反过来又通过代谢转化影响根际代谢物组成，形成协同响应。结论部分指出，F. mosseae在四环素胁迫下重塑了大豆根际、土壤微生物及其代谢物间的相互作用，共鉴定34种差异代谢物、19条差异代谢途径，并通过代谢物-微生物互作调节根际微生物代谢。这些发现为理解AMF缓解四环素胁迫的代谢机制提供了新证据，并为微生物-代谢物互作研究提供了新视角。