《Nature Communications》：Enhancing soil citrulline degrading function to mitigate soil-borne Fusarium wilt
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本研究针对连作障碍加剧土传病害这一农业难题，揭示了西瓜等葫芦科作物连作条件下根际瓜氨酸(citrulline)积累通过促进尖镰孢菌(Fusarium oxysporum)产生伏马菌素(fusaric acid, FA)而加重枯萎病的致病机制。研究人员通过宏基因组分析发现健康土壤中瓜氨酸周转功能模块M00978显著富集，进而从Pseudomonas putida YDTA3中鉴定出关键降解基因arcB，并通过构建表达arcB的工程化大肠杆菌群落(EO-arcB)，在连续多代栽培实验中显著降低了枯萎病发生率。该研究为通过调控土壤微生物功能基因实现土传病害绿色防控提供了新策略。
在现代农业集约化生产体系中，连作障碍已成为制约可持续发展的瓶颈问题。其中，由尖镰孢菌(Fusarium oxysporum)引起的土传枯萎病对葫芦科作物危害尤为严重，常导致作物减产甚至绝收。传统研究多聚焦于病原菌积累的单一因素，然而近年研究发现，根际微环境中植物源代谢物与微生物功能的互作网络可能扮演着更关键的角色。在这项发表于《Nature Communications》的研究中，南京农业大学沈其荣院士团队揭开了瓜氨酸这一关键代谢物在连作系统中驱动病害发生的秘密。
研究人员通过分析不同健康状态的西瓜根际土壤，发现连作病害土壤中瓜氨酸含量显著升高。盆栽实验证实外源添加瓜氨酸会加重枯萎病发生，且与病原菌产毒能力呈正相关。深入机制探究表明，瓜氨酸能显著上调尖镰孢菌中伏马菌素生物合成基因簇(Fub1-Fub5)的表达，促进伏马菌素及其毒性更强的衍生物伏马菌素甲酯的合成。
宏基因组分析揭示了健康与患病土壤微生物功能差异的奥秘：健康根际中与瓜氨酸周转相关的功能模块M00978（鸟氨酸-氨循环）显著富集，其包含的R01398、R09107等关键反应在微生物互作网络中处于核心地位。通过功能基因筛选，研究团队从土壤中分离到一株高效降解瓜氨酸的恶臭假单胞菌YDTA3(Pseudomonas putida YDTA3)，基因组注释发现其携带arc和arg两个基因簇，其中arcB和argH分别编码分解代谢和合成代谢途径的关键酶。
基因敲除实验证实arcB基因在瓜氨酸降解中起主导作用。ΔarcB突变株降解能力急剧下降，导致精氨酸积累而鸟氨酸合成受阻；ΔargH突变株虽受影响较小，但仍削弱了菌株的适应性。在连续多代盆栽实验中，野生菌株的病害防控效果随连作代际增加而衰减，表明其根际定殖能力不足。
研究团队创新性地构建了携带arcB基因的土著大肠杆菌工程菌群(EO-arcB)。该菌群在连续六代栽培中表现出稳定的根际定殖能力和瓜氨酸降解效率，对西瓜、南瓜和黄瓜的枯萎病防治效果显著优于野生菌株。进一步通过不同规模菌群组合实验证明，执行瓜氨酸降解功能的微生物数量与病害抑制效果呈正相关。
关键技术方法包括：采用盆栽模拟连作系统评估瓜氨酸与病害关联性；通过宏基因组功能注释和网络分析鉴定关键功能模块；运用基因敲除和异源表达验证arcB基因功能；构建工程菌群并通过多代连作实验验证防控效果（样本来源于中国不同地理位置的连作西瓜田）。
研究结果系统阐释了连作系统中瓜氨酸积累通过增强病原菌毒性而加剧枯萎病的致病循环，同时发现健康土壤中微生物的瓜氨酸降解功能对病害抑制起关键作用。通过功能基因挖掘和工程菌群构建，成功实现了土壤功能的定向调控。该研究不仅深化了对根际微生态互作机制的理解，更为土壤微生物功能导向的病害防控策略提供了新范式，在可持续农业发展中具有重要应用价值。
