本站消息 9月2日，學(xué)校植物保護(hù)學(xué)院朱書生教授團(tuán)隊在Plant Communications（影響因子11.6）上在線發(fā)表了關(guān)于輪作系統(tǒng)中土傳病害可持續(xù)管理的研究論文“An altruistic rhizo-microbiome strategy in crop rotation systems for sustainable management of soil-borne diseases”。本文以大蒜-辣椒輪作系統(tǒng)為研究對象，發(fā)現(xiàn)大蒜根系分泌物DADS能夠誘導(dǎo)土壤微生物產(chǎn)生ROS脅迫，從而富集耐ROS脅迫的大蒜青霉菌（Penicillium allii）。這一微生物群落變化對后續(xù)其他作物的生長具有利他效應(yīng)，但對大蒜自身具有一定負(fù)效應(yīng)。研究揭示了大蒜這種自我犧牲式的“利他”根際微生物組調(diào)控策略，為作物輪作系統(tǒng)中土傳病害的定向和可持續(xù)治理提供了新思路。
長期單一栽培易加劇土傳病害，威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)性。輪作可通過根系分泌物調(diào)控土壤微生物群落，減輕連作障礙和植物-土壤負(fù)反饋，形成成不利于自身但有益于后茬作物的土壤微生物遺產(chǎn)。在大蒜-辣椒輪作中，大蒜分泌的二烯丙基二硫（DADS）能誘導(dǎo)根際ROS脅迫并選擇性塑造微生物群落，但其具體調(diào)控機制尚不清楚。闡明這一機制對于開發(fā)環(huán)境友好的土傳病害防控策略和實現(xiàn)土壤健康管理具有重要意義。
薈萃分析表明，大蒜作為前茬能顯著提高后茬產(chǎn)量，尤其對茄科和葫蘆科作物效果突出。溫室試驗進(jìn)一步驗證，大蒜種植后的土壤可提升茄科作物生物量，并顯著增強辣椒對疫病的抗性。不同地區(qū)的大蒜土壤懸浮液均對辣椒疫霉表現(xiàn)出強拮抗作用，說明大蒜土壤微生物在抑病中發(fā)揮關(guān)鍵作用，而辣椒土壤則無此效應(yīng)。
大蒜種植后的土壤微生物顯著增強了辣椒對辣椒疫霉的抑制，且抑病效果呈密度依賴性。真菌群落分析發(fā)現(xiàn)青霉菌ASV1隨密度增加而富集，并與抑病效果高度相關(guān)。分離得到的三株青霉菌Penicillium ochrochloron YNAU-P-4（赭綠青霉）、P. allii YNAU-Q-6（大蒜青霉）和P. brevicopactum YNAU-Q-9（短密青霉均能拮抗辣椒疫霉并誘導(dǎo)辣椒抗性，其中YNAU-Q-6（大蒜青霉）對辣椒有益卻會致大蒜病害，體現(xiàn)出“利他自損”效應(yīng)。
GC-MS檢測表明，二烯丙基二硫（diallyl disulfide，DADS）是大蒜根際的主要揮發(fā)物，其濃度隨種植密度升高，并與青霉菌富集及抑病效應(yīng)顯著相關(guān)。DADS處理的土壤微生物能抑制辣椒病原菌并促進(jìn)青霉菌屬富集，體外試驗也證實其促進(jìn)青霉菌生長、抑制病原菌。因此，DADS是驅(qū)動真菌群落重組和青霉菌富集的關(guān)鍵因素。
轉(zhuǎn)錄組分析表明，DADS可誘導(dǎo)微生物氧化應(yīng)激，但不同菌株耐受性差異明顯。大蒜青霉通過上調(diào)GST、FSP1和CYP628等基因緩解ROS脅迫，維持正常生長；而病原菌則雖激活抗氧化基因，卻下調(diào)解毒與生長相關(guān)基因，導(dǎo)致受抑。體外試驗也顯示病原菌ROS水平顯著升高且對H2O2敏感，而大蒜青霉未受影響，說明ROS耐受性差異是其選擇性富集的關(guān)鍵。
外施H2O2模擬氧化脅迫后，處理培育的土壤微生物可顯著抑制辣椒疫病，減少病斑擴展，并抑制辣椒疫霉菌絲生長。與大蒜和DADS處理的微生物組一致，H2O2處理顯著富集了青霉菌屬。宏基因組分析顯示，ROS脅迫條件下代謝途徑發(fā)生顯著變化，包括硫胺素代謝下調(diào)、RNA轉(zhuǎn)運和凋亡通路上調(diào)。結(jié)果表明，DADS通過誘導(dǎo)ROS脅迫重塑微生物群落，促進(jìn)青霉菌富集及功能適應(yīng)性，從而增強抑病能力。
田間與盆栽試驗均證實，273.5 μM DADS與大蒜青霉YNAU-Q-6聯(lián)合施用能顯著降低辣椒疫病發(fā)病率，并提高辣椒生物量與產(chǎn)量。該效果得益于DADS促進(jìn)了青霉菌在辣椒根際的有效定殖。此外，該聯(lián)合策略對煙草黑脛病也表現(xiàn)出顯著防控效果，并能提升大豆產(chǎn)量。
研究揭示了輪作系統(tǒng)中大蒜根際微生物的“利他”機制。大蒜根系釋放的DADS可引發(fā)ROS介導(dǎo)的選擇壓力，進(jìn)而富集耐ROS脅迫的大蒜青霉，在作物輪作系統(tǒng)中形成一種“利他型”微生物組演替模式。該機制表明，通過植物調(diào)控微生物群落構(gòu)建過程，有望實現(xiàn)土傳病害的定向治理。此外，已知多種有益微生物（如寡雄腐霉、雙核絲核菌、洋蔥伯克霍爾德菌等）通常具有寄主偏好性或生態(tài)位特異性，未來通過解析這些微生物與植物代謝產(chǎn)物的互作機制，將有助于更精準(zhǔn)地設(shè)計并增強“利他”效應(yīng)，推動基于植物-微生物組互作的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
學(xué)校朱書生教授和楊敏教授為本研究共同通訊作者，博士后吳家慶和劉屹湘教授為共同第一作者，碩士研究生余歡潔和已畢業(yè)碩士范福園參與了部分工作。朱有勇院士、董揚教授和何霞紅教授提供了重要指導(dǎo)。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃中法農(nóng)業(yè)聯(lián)合實驗室（2023YFE0107500）、國家自然科學(xué)基金(32260706)和云南省彩云博士后等基金項目的共同資助。
