《Plant Physiology and Biochemistry》：Rhizosphere engineering in
Camellia sinensis intercropping reveals hierarchical regulation of defense, nutrient cycling, and aromatic metabolism
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本研究针对单一栽培模式下茶树品质提升与生态可持续性难以协同的难题，通过整合转录组与代谢组学分析，系统揭示了豆科-茶树间作驱动的根际效应如何层级式重编程茶树根系代谢网络。研究发现，根际重构激活了159条KEGG通路（93.71%上调），优先调控类黄酮生物合成、植物-病原体互作及淀粉-蔗糖代谢；通过激活JA防御信号和苯丙烷途径增强抑菌酚类分泌，协同上调固氮(nifH)、氨氧化(amoA)和溶磷(phoC/D)基因并抑制反硝化(nirK)，提升氮磷留存并减少温室气体排放；C-N代谢互作刺激糖苷化香气前体富集，CHS/PAL介导的根-叶类黄酮代谢同步化强化了茶叶品质形成。该根际工程策略为农林业生态集约化和茶品质提升提供了双赢路径。
在追求优质茶叶与可持续农业协同发展的道路上，传统的茶树单一栽培模式常常陷入两难困境：过度依赖化肥农药虽能短期提升产量，却可能导致土壤退化、生态环境压力增大，并且茶叶的内在品质，尤其是那些决定风味的芳香物质，未必能得到根本改善。有没有一种方法，能够“鱼与熊掌兼得”，既改善茶园生态环境，又能提升茶叶品质？豆科植物与茶树的间作模式，作为一种古老的生态智慧，近年来被重新审视，但其背后复杂的根际微观世界如何运作，特别是间作如何通过调控茶树根系自身的基因表达和代谢活动来发挥益处，仍是一个亟待揭开的“黑箱”。
发表在《Plant Physiology and Biochemistry》上的这项研究，如同一位细致的侦探，利用整合转录组学和代谢组学的“组合工具”，深入探究了茶树-大豆间作系统下的根际互作奥秘。研究人员设计了一个精巧的长期田间实验，设置了 monoculture tea (MT, 单作茶树)、intercropped tea (IT, 间作茶树)、intercropped tea with complete root partition (PPIT, 根系完全隔离的间作) 和 intercropped tea with mesh-partitioned rhizosphere (NPIT, 根际网状隔离的间作) 四种栽培模式，旨在区分直接根系接触、养分微生物交换以及地上部信号的不同作用。通过对茶树根际土壤和根系样本进行系统分析，他们揭示了间作引发的根际效应如何像一位高效的“总指挥”，对茶树的生理代谢进行了一场深刻的“层级式”重编程。
关键技术方法
本研究的关键技术方法包括：1) 设置包含单作和不同隔离程度的间作处理（MT, IT, PPIT, NPIT）的长期田间试验设计，以解析根际效应的具体贡献；2) 对茶树根系进行高通量RNA测序（RNA-seq）和差异表达基因（DEGs）分析，结合KEGG通路富集分析，揭示转录重编程的全局图谱；3) 采用绝对定量实时荧光定量PCR（qPCR）技术，靶向定量根际土壤中氮磷循环关键功能基因（如 nifH, amoA, nirK, phoC, phoD, pqqC）的丰度，评估微生物功能变化；4) 运用气相色谱-质谱联用（GC-MS）对根际土壤进行非靶向代代谢组学分析，鉴定差异积累代谢物；5) 通过结构方程模型（SEM）整合土壤理化性质、微生物功能、代谢物与茶叶品质数据，解析多因素间的因果关系。
3.1. 转录组水平重复性评估
样本间相关性分析显示，各处理组内生物学重复具有高度一致性（例如IT和NPIT组内 r2 = 0.928），而不同处理组间基因表达谱呈现显著差异（例如MT vs IT, r2 < 0.52），证实了间作根际效应是驱动茶树根系转录重编程的主要因素，且实验数据可靠。
3.2. 间作茶树根际根系中差异表达基因的分布和KEGG富集分析
与单作（MT）相比，间作（IT）诱导茶树根系产生10245个差异表达基因（DEGs），其中6485个上调。这些DEGs共同映射到159条KEGG通路。进一步分析发现，有1317个共同上调的DEGs富集于149条通路，其中22条通路在MT vs IT和PPIT vs NPIT两个比较中均显著共同富集。这些核心通路涉及植物-病原体互作、植物激素信号转导、苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成、淀粉和蔗糖代谢、脂肪酸生物合成等重要生物学过程，表明根际效应广泛激活了茶树的防御、初级代谢和次级代谢途径。
3.3. 间作根际效应对土壤氮磷循环功能基因表达的影响
通过qPCR对根际土壤中氮磷循环关键基因的绝对定量分析发现，间作处理显著上调了固氮基因(nifH)、氨氧化基因(amoA)、有机磷矿化基因(phoD, phoC)和无机磷溶解相关基因(pqqC)的表达，同时显著抑制了反硝化基因(nirK)的表达。这表明间作根际效应优化了微生物的养分转化功能，倾向于增强氮磷养分的保留和有效性，同时可能减少氮素的气态损失。
3.4. 间作效应下茶树根际整合代谢通路图谱
整合代谢组和转录组数据，研究人员重构了间作茶树根系中六条相互关联的代谢级联反应，包括：1) 脂肪酸衍生的防御启动（经由茉莉酸合成）；2) 碳分配用于防御代谢（支持果胶等合成）；3) 碳水化合物储存动态（淀粉和蔗糖代谢）；4) 抗氧化异戊二烯类物质生物合成（如维生素E）；5) 多酚类防御化合物合成（类黄酮途径）；6) 苯丙素-类黄酮代谢耦合。这些通路协同作用，将更多的碳流向防御相关化合物和香气前体的合成。
3.5. 影响根际代谢物和茶叶品质组分的结构方程模型
结构方程模型（SEM）分析表明，间作（IT, NPIT）等栽培模式通过改善土壤缓冲容量、提升土壤酶活性和微生物生物量，进而正向影响土壤氮磷循环，最终促进有益根际代谢物的积累，并对茶叶品质组分产生直接正向效应。模型拟合优度指标（χ2/df=1.54, GFI=0.934, RMSEA=0.052, SRMR=0.047）表明模型能很好地解释数据。
研究结论与意义
本研究系统阐明了豆科-茶树间作通过根际工程效应，对茶树根系代谢网络进行多层次、系统性重编程的机制。其核心在于，根际微生物群落和养分循环的重构，触发了茶树自身的转录重编程，优先上调了与防御（如JA信号、苯丙烷/类黄酮途径）、养分利用（碳、氮、磷代谢）和风味物质合成相关的通路。这种代谢重定向不仅增强了茶树的系统抗性（通过产生抑菌酚类物质），优化了根际养分留存（促进固氮、硝化、溶磷，抑制反硝化），还通过刺激根中类黄酮等香气前体物质的生物合成及其向叶片的转运，为提升茶叶香气品质奠定了物质基础。研究揭示了根际互作在连接土壤生态过程与植物产品质量形成中的核心作用，为通过设计间作系统实现农业的生态集约化和作物品质提升提供了坚实的理论依据和可行的技术路径。这种多组学整合的研究策略，为深入理解复杂农林业生态系统中的植物-土壤-微生物互作提供了范例。
