南京农业大学Microbiome | 代谢组驱动的根际微生物组组装决定药用植物当归抗根腐病的健康状态

论文基本信息

• 英文标题：Metabolome-driven rhizosphere microbiome assembly determining the health of medicinal herb (Angelica sinensis) against root rot
• 中文标题：代谢组驱动的根际微生物组组装决定药用植物当归抗根腐病的健康状态
• 通讯单位：南京农业大学
• 发表期刊：Microbiome
• 发表时间：2026-04-20

Highlights

• 当归根腐病的发生与根际镰刀菌富集、链霉菌减少直接相关，根际细菌群落结构是健康关键。
• 健康当归根际分泌更多脂质类代谢物，可定向招募携带类固醇降解基因的链霉菌 S15。
• 脂质益生元 + 链霉菌 S15的合生制剂，盆栽与田间均显著降低当归根腐病发病率。

背景介绍

根腐病是制约当归规模化种植的毁灭性土传病害，致病菌以尖孢镰刀菌为主，可导致根系腐烂、植株萎蔫，造成严重产量与品质损失。传统防控依赖化学药剂，易引发农药残留、土壤微生态失衡等问题，难以满足药用植物安全生产需求。根际微生物组是植物抵御土传病害的 “第一道防线”，植物可通过根系分泌物主动调控微生物群落结构，但当归如何通过代谢物招募有益菌抵抗根腐病的核心机制尚不明确。同时，脂质类代谢物在根际微生物互作中的功能尚未被系统解析。本研究以当归 - 根腐病为模式系统，整合宏基因组、代谢组、转录组等多组学技术，解析健康与患病根际微生物组与代谢组差异，挖掘关键抗病功能菌与信号代谢物，揭示代谢组驱动根际微生物组装的抗病机制，并研发绿色高效的合生制剂防控策略，为药用植物土传病害可持续防控提供理论与技术支撑。

结果与讨论

图 1 根腐病改变当归根际微生物组成，富集镰刀菌、减少链霉菌

通过对甘肃产区健康与患病当归根际土壤进行 16S rRNA 与 ITS 测序，发现根腐病显著提升子囊菌门丰度、降低担子菌门与毛霉菌门丰度，细菌群落则呈现绿弯菌门、拟杆菌门丰度下降的特征。真菌群落 α 多样性健康组显著更高，细菌群落 α 多样性无显著差异，但 PCoA 分析显示两组细菌群落结构差异显著。属水平分析明确，患病根际镰刀菌丰度显著升高，健康根际链霉菌与 Pir4 谱系丰度更高，且两组土壤理化性质无显著差异，证实根际细菌群落结构而非多样性，是决定当归健康状态的核心因素，链霉菌的丰度缺失与根腐病发生高度关联。

图 2 脂质代谢相关功能与代谢物参与当归健康调控

基于宏基因组测序对根际微生物功能进行注释，发现健康根际显著富集脂质代谢相关通路，其中类固醇降解、PPAR 信号通路、α- 亚麻酸代谢通路差异最明显，类固醇降解通路的 choD、cyp、hsaD 等关键基因主要来源于链霉菌科，健康组中链霉菌科贡献占比达 27.0%，远高于患病组的 14.7%。非靶向代谢组检测到 1978 种根际代谢物，OPLS-DA 与火山图分析显示，健康组富集 9 种差异代谢物，其中 6 种为脂质化合物，包括茉莉酸甲酯、芸苔素内酯等。关联分析证实，这些脂质代谢物与链霉菌丰度呈显著正相关，与镰刀菌丰度无显著关联或呈负相关，明确脂质代谢物是招募链霉菌的关键信号分子。

图 3 当归偏好招募携带类固醇降解基因的链霉菌

从根际土壤分离 234 株真菌与 29 株链霉菌，致病性验证确定尖孢镰刀菌 220 是当归根腐病的致病菌，其接种后当归发病率超 79%。拮抗实验筛选出链霉菌 S15、S1、S3 三株高效拮抗菌，其中 S15 对镰刀菌抑制率达 19.54%。基因检测发现仅 S15 携带 cyp、hsaA 等类固醇降解基因，体外实验证实茉莉酸甲酯与芸苔素内酯可特异性促进 S15 生长，对 S1、S3 及镰刀菌无促生作用，揭示当归通过脂质信号精准招募具备类固醇代谢能力的链霉菌，实现靶向抗病。

图 4 脂质激素提升链霉菌 S15 生长、定殖与抗病能力

转录组分析显示，茉莉酸甲酯与芸苔素内酯显著改变 S15 基因表达，上调链霉素合成、生物膜形成、孢子形成、类固醇羟化酶等关键基因表达。体外实验证实 S15 可将两种脂质作为碳源利用，添加脂质后 S15 发酵液拮抗能力、生物膜形成量显著提升。盆栽定殖实验表明，两种脂质均能显著提高 S15 在根际的定殖密度，同时降低镰刀菌丰度，阐明脂质代谢物通过调控 S15 功能基因表达，强化其根际定殖与病原菌抑制能力。

图 5 合生制剂显著增强当归根腐病防控效果

设置益生菌（仅 S15）、益生元（仅脂质）、合生制剂（S15 + 脂质）三组处理，盆栽实验显示合生制剂组病指显著低于单一处理，镰刀菌丰度最低，链霉菌 ASV135（与 S15 同源性 100%）丰度最高，且 ASV135 丰度与镰刀菌拷贝数呈显著负相关。田间试验证实，合生制剂处理使当归根腐病严重度降低 23.9%，验证了脂质益生元 + 链霉菌合生制剂的田间应用潜力，实现 “菌 + 代谢物” 协同抗病。

总结

本研究首次揭示脂质代谢组驱动根际链霉菌组装的当归抗根腐病机制，突破了传统土传病害防控聚焦病原菌抑制的局限，从植物 - 微生物互作角度解析宿主主动调控微生态的核心策略。研究采用多组学联合、菌株分离验证、基因功能解析、盆栽与田间试验的完整设计，技术体系严谨且贴合生产实际，精准定位茉莉酸甲酯、芸苔素内酯为关键信号分子，链霉菌 S15 为核心功能菌，阐明类固醇降解通路是二者互作的关键靶点。机制阐释上明确 “脂质招募 — 链霉菌定殖 — 病原菌抑制” 的完整通路，应用上研发的合生制剂绿色高效、无残留，适配药用植物安全生产需求，为中药材土传病害微生态防控提供全新范式，也为其他作物土传病害治理提供可借鉴的思路。

声明:

1、本公众号所发布的内容，包括但不限于文章、图片、视频等，均为课题组成员基于学术研究和学习目的而进行的解读和分享，不代表任何官方立场。

2、作者尊重原创，所有内容均来源于公开发表的学术文献。如有侵权或不妥之处，请及时与作者联系，作者将立即更正或删除。

3、本公众号所提供的信息仅供参考和学习之用，不构成任何形式的专业建议或指导。

对于因使用本公众号内容而产生的任何直接或间接损失，作者不承担任何责任。