本站消息 9月2日，學校植物保護學院朱書生教授團隊在Plant Communications（影響因子11.6）上在線發表了關于輪作系統中土傳病害可持續管理的研究論文“An altruistic rhizo-microbiome strategy in crop rotation systems for sustainable management of soil-borne diseases”。本文以大蒜-辣椒輪作系統為研究對象，發現大蒜根系分泌物DADS能夠誘導土壤微生物產生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其他作物的生長具有利他效應，但對大蒜自身具有一定負效應。研究揭示了大蒜這種自我犧牲式的“利他”根際微生物組調控策略，為作物輪作系統中土傳病害的定向和可持續治理提供了新思路。
長期單一栽培易加劇土傳病害，威脅農業可持續性。輪作可通過根系分泌物調控土壤微生物群落，減輕連作障礙和植物-土壤負反饋，形成成不利于自身但有益于后茬作物的土壤微生物遺產。在大蒜-辣椒輪作中，大蒜分泌的二烯丙基二硫（DADS）能誘導根際ROS脅迫并選擇性塑造微生物群落，但其具體調控機制尚不清楚。闡明這一機制對于開發環境友好的土傳病害防控策略和實現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量，尤其對茄科和葫蘆科作物效果突出。溫室試驗進一步驗證，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。不同地區的大蒜土壤懸浮液均對辣椒疫霉表現出強拮抗作用，說明大蒜土壤微生物在抑病中發揮關鍵作用，而辣椒土壤則無此效應。
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。真菌群落分析發現青霉菌ASV1隨密度增加而富集，并與抑病效果高度相關。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，體現出“利他自損”效應。
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物，其濃度隨種植密度升高，并與青霉菌富集及抑病效應顯著相關。DADS處理的土壤微生物能抑制辣椒病原菌并促進青霉菌屬富集，體外試驗也證實其促進青霉菌生長、抑制病原菌。因此，DADS是驅動真菌群落重組和青霉菌富集的關鍵因素。
轉錄組分析表明，DADS可誘導微生物氧化應激，但不同菌株耐受性差異明顯。大蒜青霉通過上調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，卻下調解毒與生長相關基因，導致受抑。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生顯著變化，包括硫胺素代謝下調、RNA轉運和凋亡通路上調。結果表明，DADS通過誘導ROS脅迫重塑微生物群落，促進青霉菌富集及功能適應性，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聯合施用能顯著降低辣椒疫病發病率，并提高辣椒生物量與產量。該效果得益于DADS促進了青霉菌在辣椒根際的有效定殖。此外，該聯合策略對煙草黑脛病也表現出顯著防控效果，并能提升大豆產量。
研究揭示了輪作系統中大蒜根際微生物的“利他”機制。大蒜根系釋放的DADS可引發ROS介導的選擇壓力，進而富集耐ROS脅迫的大蒜青霉，在作物輪作系統中形成一種“利他型”微生物組演替模式。該機制表明，通過植物調控微生物群落構建過程，有望實現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位特異性，未來通過解析這些微生物與植物代謝產物的互作機制，將有助于更精準地設計并增強“利他”效應，推動基于植物-微生物組互作的農業可持續發展。
學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。本研究得到了國家重點研發計劃中法農業聯合實驗室（2023YFE0107500）、國家自然科學基金(32260706)和云南省彩云博士后等基金項目的共同資助。
