Plant Commun | 跟着顶刊挖机制！四川农业大学揭示马铃薯连作不减产的秘密

连作（Continuous-cropping，CC）障碍是限制全球农业发展的主要因素之一。尽管多数植物会受到CC障碍导致的负面影响，但其可通过改变土壤微生物和化学环境以促进植物生长，克服连作形成的障碍。马铃薯作为重要的非谷类粮食作物之一，连作障碍会严重限制马铃薯产量。马铃薯本身又如何突破连作障碍？ 四川农业大学郑顺林团队基于长达7年持续的连作土壤，发现马铃薯植株存在自主适应连作障碍现象，深入剖析自适应连作障碍的作用机制。相关研究结果于2025年5月以“Self-alleviation of continuous-cropping obstacles in potato via root-exudate-driven recruitment of growth-promoting bacteria”为题发表在国产植物学一区TOP期刊Plant  Communications（IF11.6）上。  


  连作组马铃薯出苗后10天（CC10）、连作组马铃薯出苗后20天（CC20）、非连作组马铃薯出苗后10天（NCC10）、非连作组马铃薯出苗后20天（NCC20）



  16S rRNA测序（根际土壤）、非靶代谢组（根系分泌物）



  图1 研究流程图


  1. 连作使得自毒物质（香兰素）积累，抑制马铃薯生长 表型观察和RT-qPCR发现连作组显著抑制马铃薯幼苗生长，但连作组土壤中的物质会在马铃薯出苗20天时增加根系中生长素（IAA）含量。具体表现为：相比于非连续种植（NCC），在整个苗期中，连作马铃薯的株高、芽直径、叶、根干重低于NCC组。CC组马铃薯产量低于NCC组。但CC组土壤培育的马铃薯会在出苗20-30天时根系不定根数量显著增加，IAA含量增加。 图2 连作对马铃薯植株生长的抑制作用   2. 灭菌和菌群移植实验验证土壤微生物促进马铃薯连作植株生长 利用土壤灭菌实验发现，无论是否灭菌，非连作土壤中IAA含量没有显著差异，根系IAA含量在出苗第10天时最高。而在连作土壤中，无论是否消毒，连作土壤中的香兰素（马铃薯自毒物质，抑制马铃薯生长）含量都显著高于非连作土壤。相比于灭菌连作土壤，未灭菌连作土壤不定根数量在出苗20-30天时显著增加，IAA含量在20天时显著积累。从产量角度看：（灭菌/未灭菌）非连作土壤＞未灭菌连作土壤＞灭菌连作土壤。整体结果表明土壤微生物导致连作条件下马铃薯不定根数量增加。 将CC和NCC土壤中马铃薯幼苗根际菌群转移到无菌连作土壤，发现来自连作土壤的微生物显著增加土壤和根系中IAA含量，不定根数量，并在马铃薯出苗20天后上述指标显著增加。 图3 根际微生物在马铃薯出苗20天后促进马铃薯在连作土壤中的生长   3. 16S rRNA测序-Pantoea sp.MCC可促进连作马铃薯生长 由于在马铃薯出苗20天时，根际土壤微生物对其有显著促生长作用，进一步对马铃薯出苗10和20天的CC和NCC土壤（CC10、CC20、NCC10、NCC20）进行16S rRNA测序，发现有11个细菌仅在马铃薯幼苗20天的连作土壤中富集，并分离出7个产IAA的菌株，其中菌株MCC16在CC中的IAA的产量能力显著高于NCC中IAA生产能力最高的菌株。利用序列同源性发现菌株MCC16与Pantoea sp.SAS9存在100%同源性。使用Pantoea sp.MCC16处理CC马铃薯，进一步证实Pantoea sp.MCC16是促进CC土壤中植物生长的主要菌株。 图4 Pantoea sp. MCC16 促进植物在连作土壤中的生长   4. 非靶代谢组-连作马铃薯根系分泌物川陈皮素促进植物生长 收集CC10、CC20、NCC10、NCC20马铃薯根系分泌物进行非靶代谢组检测，通过PCA、KEGG、Random Forest、Significant Difference分析，共筛选出29种代谢物仅在CC20中显著增加。其中，利用相关性分析获得11种代谢物丰度与MCC16丰度存在显著正相关。体外趋化性实验证明只有川陈皮素显著刺激Pantoea sp.MCC16的趋化性，趋化性在川陈皮素为20 μmol/L时达到最大值，此时会显著促进Pantoea sp.MCC16生物膜形成。外源川陈皮素添加实验表明：相比于灭菌的CC土壤，未灭菌的CC土壤中马铃薯幼苗不定根数量显著增加，根际土壤中Pantoea sp.MCC16丰度显著增加。整体结果表明：川陈皮素是CC土壤马铃薯根分泌的川陈皮素可招募Pantoea sp.MCC16。 图5 马铃薯出苗后第20天，根系分泌物川陈皮素招募Pantoea sp. MCC16定植   5. 川陈皮素和Pantoea sp.MCC16均可增加马铃薯产量，但二者增产效果不同 外源施用川陈皮素和Pantoea sp.MCC16开展盆栽实验，发现二者在马铃薯出苗10和20天时其根系不定根数量、根系中IAA含量和根际土壤显著增加。同时，两种方式处理显著提高马铃薯产量，表现为：川陈皮素主要增加马铃薯数量而Pantoea sp.MCC16主要增加马铃薯单位重量。其差异因素可能是外源川陈皮素改变了根际微生物生物群落结构，从而改变了微生物群落功能。 图6 川陈皮素和Pantoea sp.MCC16对 CC 马铃薯生长和产量的影响


  该文使用7年马铃薯连作土壤为材料，通过“组学+实验验证”结合的方式，首次揭示了马铃薯自主适应连作障碍的根系分泌物-根际微生物互作机制。在明确了根际微生物可协助马铃薯自适应连作障碍后，通过16S rRNA测序筛选出目标功能菌- Pantoea sp.MCC16，并通过根系分泌物的非靶代谢组+16S rRNA相关性分析，筛选出目标功能代谢物-川陈皮素。最后通过“体外趋化实验”、“Pantoea sp.MCC16和川陈皮素外源添加实验”进一步证实“在连作过程中，马铃薯根系可产生川陈皮素以招募Pantoea sp.MCC16菌在根际定植，Pantoea sp.MCC16具备的高产IAA功能可马铃薯不定根数量和产量，促使植物恢复功能特性并缓解连作障碍”的研究结论。 文章使用的16S rRNA和代谢组检测是筛选目标功能菌和目标功能代谢物的关键手段。上海中科新生命自2004年成立以来，一直深耕质谱多组学技术在科研领域的研究应用。自主研发了植物单细胞转录组、植物空间代谢组、修饰蛋白质组、蛋白质组、植物非靶向代谢组、植物高通量靶向代谢组检测平台，已有多篇合作客户文章在Nature Genetics、Nature Plants、New Phytologist、Journal of Hazardous Material等顶刊发表，并有成熟的“微生物+代谢组”研究方案和数据挖掘策略！全程技术人员跟进，助力您的“根系分泌物-根际微生物”互作研究。  
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