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农业土壤中微塑料（MPs）通过改变病原菌尖孢镰刀菌（FOL）的定植和毒性机制影响番茄根系健康。研究显示，传统聚乙烯（PE）加剧萎蔫病（DI 67.7%）19%，而生物降解聚乳酸（PLA）降低DI 14%。PE通过附着根系扩大定植表面积，而PLA降解释放的L-乳酸使根际酸化（pH降低2.3），同时塑化剂三(2-丁氧基乙基)磷酸（TBP）直接抑制FOL（MIC 50 mg/L）。转录组分析表明PLA下调β-1,3-葡聚糖酶基因（FOXG_11947）表达3.18倍，使其酶活性下降75.5%。PLA还重塑根际微生物网络，使病原菌丰度降低1.31%。研究揭示了塑料类型依赖的病原控制机制，为可持续农业塑料管理提供依据。
沈思琪|周亚伟|赵茹|刘萌|傅文江|赵书婷|严超凯|高琦|张丹|王彦华|贾汉忠|魏亚红
中国西北农林大学自然资源与环境学院土壤与水保持及荒漠化控制国家重点实验室，杨凌，712100
摘要
微塑料（MPs）在农业土壤中普遍存在，对根际生态和植物生理产生不利影响；然而，它们对土壤传播病原体和作物健康的影响仍知之甚少。在本研究中，我们利用水培、土壤培养和体外共培养实验系统地研究了外源性微塑料对番茄根际中Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici（FOL）的定殖、毒力和拮抗网络的影响。研究发现，传统聚乙烯（PE）使萎蔫程度增加了19%，而可降解聚乳酸（PLA）则减少了14%。这种差异源于微塑料对病原体定殖模式的调节：PE附着在根表面并促进其定殖，而PLA降解过程中释放的物质则抑制了病原体的生长。气相色谱-质谱分析和体外抗真菌实验确定了两种关键的抗真菌机制：中间产物L-乳酸导致根际酸化，以及释放的增塑剂三（2-丁氧基乙基）磷酸盐具有直接的抗真菌活性（最低抑制浓度=50 mg·L-1；抑制率为15.5%）。转录组分析显示，PE上调了FOL中的氮转运和代谢相关基因的表达，而PLA则下调了植物细胞壁降解酶FOXG_11947的表达（log2变化值为-3.18），使β-1,3-葡聚糖酶活性降低了75.5%，从而降低了病原体对宿主根系的毒性。除了与FOL的直接相互作用外，PLA还使根际微生物群落向拮抗网络转变，进而使Fusarium的丰度降低了1.31%。我们的发现揭示了微塑料通过聚合物类型调节土壤传播疾病的作用机制，并强调了这种被忽视的共暴露风险，为农业中可持续使用塑料提供了科学依据。
引言
农业微塑料（MPs）的广泛积累主要源于地膜破碎、大气沉降和径流，这一现象日益被视为全球环境问题[1],[2]。MPs的积累不仅改变了土壤性质，对土壤生物产生不利影响，还破坏了对作物生长至关重要的生态系统服务[3]。即使在低浓度下，MPs也会诱导植物氧化应激并影响其代谢过程[4],[5],[6]。由于具有较大的比表面积，MPs成为化学和生物污染物的持久载体，从而加剧了它们对土壤-植物系统的综合影响[7],[8]。通过微塑料，人类和食物中的病原体可以在水生[9]和陆地环境中传播抗生素抗性基因[10]。农业地膜作为一种广泛采用的保持土壤湿度、调节温度和促进作物生长的措施，导致了MPs与土壤传播病原体之间的持续共暴露[11]。尽管这种做法在农业上有益，但可能会无意中改变微生物定殖模式并增加宿主植物的易感性[12]。这种共暴露风险往往被忽视，阻碍了农业系统中MPs的有效管理和风险评估。因此，了解农业MPs与土壤传播病原体的相互作用对于保护土壤健康和作物生产力至关重要。
MPs的可降解性通过复杂途径对其对农业生态系统的影响起着关键作用[13]。一项涵盖6,315项观察结果的全球荟萃分析证实，可降解MPs对作物生产力、根系功能、光合作用和土壤养分的负面影响比传统石油基MPs更为显著[14]。这些影响与聚合物的特性密切相关：传统聚乙烯（PE）MPs可能形成持久的环境储存库，并倾向于富集参与碳固定和氮还原的微生物类群[15],[16]。相比之下，尽管被认为更环保，但可降解聚乳酸（PLA）MPs在降解过程中释放大量颗粒，导致与碳降解和捕食行为相关的微生物类群优先选择[17],[18]。聚合物驱动的选择性富集会引发微生态变化，可能调节共存病原体的影响。鉴于病原体定殖是土壤传播疾病爆发的关键因素，病原体突破根细胞壁并感染植物的过程是一个核心问题[19],[20]。MPs及其渗出物可能对这一过程产生双重且相反的影响：它们可以通过提供可利用的碳来刺激微生物生长，同时通过释放有毒化合物来抑制其生长[21],[22]。这些相反机制的最终结果仍不明确。因此，阐明根际界面处病原体定殖和毒力的聚合物特异性驱动因素对于制定有效的作物疾病缓解策略至关重要。
土壤微生物群落调节根际动态，其中MPs与土壤传播病原体的相互作用可能通过微生物网络影响植物健康。外源性MPs形成了一个被称为“塑料圈”的独特生态位[10]，其中多种微生物类群共同改变了根际的结构和功能[23],[24]。最新研究表明，微塑料和纳米塑料的影响取决于其浓度、大小和表面修饰，显示出它们对根际微生物群落的显著影响[25]。MPs可以与入侵植物和病原体共同作用，协同抑制作物生长。例如，Solidago canadensis与MPs和真菌病原体结合时，可以产生化感效应，显著降低生物量并改变关键的碳和氮循环酶的活性[26]。因此，MPs诱导的植物表型反映了病原体定殖和微生物群落重组的协调变化。全面评估MPs与土壤传播病原体的相互作用需要考虑这种级联驱动的微生物重组，这对于建立病原体抑制网络至关重要。
本研究旨在探讨聚合物类型如何调控MPs与土壤传播病原体共暴露的生态和致病机制。为此，我们设定了以下目标：（1）阐明MPs与病原体直接相互作用在调节植物疾病发生和严重程度中的作用；（2）确定MPs渗出物在MPs与病原体共暴露过程中的化学驱动因素和毒理学机制；（3）揭示调控病原体种群动态和毒力表达的转录组基础；（4）揭示MPs诱导的根际微生物群落重组以及由此形成的疾病抑制网络。我们的发现将为农业薄膜的使用和MPs管理提供依据，以确保农田生态系统的长期土壤健康和生态平衡。
部分摘录
微塑料、病原体菌株和植物材料
实验中使用的PE和PLA微塑料来自明硕化工有限公司（中国东莞）。这些微塑料具有不规则的碎片形态，这是环境风化微塑料的特征。具体而言，实验中使用的PE和PLA微塑料均被筛分至100-200 μm的控制尺寸范围，平均尺寸为150 μm，以确保初始物理尺寸的一致性。使用前，所有微塑料均用乙醇和蒸馏水彻底清洗。
MPs与病原体共暴露对番茄枯萎病的不同影响
为了探究MPs与土壤传播病原体共暴露对植物疾病的影响，我们建立了包含FOL和PE或PLA的相互作用系统。单独暴露于MPs并未显著影响番茄生长（p > 0.05，图S1A）。相比之下，单独接种FOL在接种后15天（dpi）引起了严重的枯萎病，病害指数（DI）为67.7%（图1A和B），并且新鲜重量和干重分别减少了33.0%和73.8%（图1C和S1A）。
MPs类型通过病原体定殖动态调节番茄枯萎病严重程度
通过模拟共暴露实验，我们发现了聚合物类型对番茄疾病严重程度的不同影响，这主要是由病原体在根部的定殖差异驱动的。不可降解的PE由于其较大的颗粒尺寸（约150 μm），通过形成菌丝吸附聚集物作为微生物载体[34]。这种聚集作用使PE的有效尺寸增加了20.1%，从而扩大了定殖表面并促进了FOL的生长（图3D）。尽管这种尺寸的MPs避免了根部...
结论
本研究比较评估了传统PE和可降解PLA微塑料对番茄枯萎病的影响，发现PE增加了疾病严重程度，而PLA通过差异性调节根部定殖降低了疾病严重程度。这两种抑制机制共同作用，通过PLA水解产生的L-乳酸导致根际酸化和有毒增塑剂的作用，以及显著降低的细胞壁降解酶活性，共同降低了FOL的致病性。
环境意义
虽然像PLA这样的可降解塑料可以释放土壤微生物可利用的碳源，但它们同时抑制了土壤传播病原体的丰度和活性，从而减少了作物疾病的发病率。相比之下，不可降解的PE作为持久的病原体载体，在根际中增加了真菌的丰度和扩散，带来了超出传统塑料持久性问题范围的生态病理风险。为了减轻这些风险，农业...
CRediT作者贡献声明
张丹：可视化处理。王彦华：写作、审稿与编辑、数据管理。严超凯：验证、监督。高琦：写作、审稿与编辑、概念构思。傅文江：方法学研究。赵书婷：可视化处理、数据管理。赵茹：实验研究。刘萌：实验研究、概念构思。魏亚红：写作、审稿与编辑、资源准备、方法学研究。沈思琪：写作、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理。周亚伟：实验研究、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFC3713900）、陕西省旱地农业实验室基金会（2024ZY-JCYJ-02-25）、陕西省科技计划项目（项目编号2024JC-TBZC-05）和三秦人才专项支持计划的资助。
