通过烟酰胺介导的方式富集有益的假单胞菌，重塑土壤结构可抑制棉花黄萎病

《Microbiological Research》：Restructuring Tilth Layers Suppresses Cotton Verticillium Wilt Through the Niacinamide-Mediated Enrichment of Beneficial Pseudomonas

垂直土层重构（RTL）通过改变根际微生物群落结构和代谢物组成抑制棉花枯萎病，其中烟酰胺积累促进有益菌（假单胞菌属）定殖与激活，形成微生物-代谢物协同的生态防御机制。

　　

董明|张倩|王燕|王树林|冯国义|齐红

中国农业农村部国家棉花改良中心/黄淮海半干旱地区棉花生物学与遗传育种重点实验室河北分所

摘要

重构土层（RTL）是一种创新的耕作方法，它涉及表土和底土的垂直交换，同时松散下层土壤。这种方法已被证明可以显著降低棉花立枯病的发生率。然而，其抑制病害的生态机制尚不清楚。在本研究中，我们结合了田间实验、宏基因组测序、非靶向代谢组学和功能验证，从微生物和代谢物的相互作用角度阐明了RTL对根际生态系统的影响。RTL显著改变了根际微生物群的多样性和组成，增加了其网络复杂性和稳定性。线性判别分析效应量（LEfSe）显示，RTL促进了假单胞菌、溶杆菌和中型根瘤菌等有益菌群的富集。代谢组学分析表明，RTL根际中的烟酰胺含量比对照根际高19.11倍（P < 0.05）。外源补充和拮抗实验表明，烟酰胺刺激了根际中假单胞菌的富集和活化。尽管烟酰胺没有直接的抗真菌活性，但与其联合使用可将立枯病的病害指数降低81.89%。总体而言，RTL通过建立更稳定和复杂的微生物网络以及调节根际代谢物组成（尤其是烟酰胺的积累）来抑制立枯病，从而形成一种将代谢物信号传导、微生物响应和病原体抑制联系起来的生态防御机制。

引言

棉花（Gossypium hirsutum L.）是全球最重要的经济作物之一，为纺织业提供必需的原始纤维，并作为植物油和蛋白质的主要来源（Aini等人，2022年）。然而，其生产经常受到严重土传病害的制约，其中由Verticillium dahliae Kleb.引起的立枯病是最具破坏性和持久性的病害之一（Song等人，2020年）。该病原体以微菌核的形式在土壤中存活多年，可感染棉花根部并阻塞维管系统，导致叶片萎蔫、落叶和早衰（Sink和Grey，1999年）。在中国，立枯病影响了超过50%的棉花种植区，已成为限制产量和纤维质量的主要因素（Zhang等人，2013年）。

目前针对立枯病的综合管理策略主要依赖于抗病品种、生物控制和农艺措施。在这些策略中，耕作方法在改变土壤环境和影响土传病原体的分布和活性方面起着关键作用（Taylor等人，2005年）。近年来，一种称为重构土层（RTL）的新耕作方法已被证明可以减轻立枯病的发生（Dong等人，2023年）。RTL涉及将表土（0–20厘米）与底土（20–40厘米）进行垂直交换，并松散40厘米以下的深层土壤，从而打破传统的犁层。田间实验证实，RTL可以改善土壤的物理化学性质，如增加非毛细孔隙度和重新分配土壤养分，并有效降低棉花的立枯病发生率（Dong等人，2023年）。然而，导致这种病害抑制的生态机制仍不确定，特别是RTL是否通过重塑根际生物成分（如微生物群和代谢物）来实现这一效果。

根际微生物组是土壤健康和植物抗病性的核心驱动因素。大量研究表明，根际微生物可以通过营养竞争、产生抗菌化合物或诱导植物系统抗性来有效抑制病原体（Sarma等人，2015年；Niu等人，2017年；Yuan等人，2018年）。高通量测序技术的进步彻底改变了我们对根际微生物组的理解，揭示了其巨大的多样性和功能潜力。最近的研究不仅强调了特定菌群的存在，还强调了微生物群内部的整体结构、稳定性和相互作用网络作为其功能输出的关键决定因素，包括病害抑制（Qiao等人，2024年）。此外，植物根系分泌物和微生物代谢物共同塑造了根际的化学环境，进而影响微生物群的组成和功能潜力（Hacquard等人，2017年）。某些代谢物作为信号分子或选择剂招募有益微生物。例如，有机酸和氨基酸可以调节细菌的趋化性（Gomes等人，2001年）；黄酮类化合物可以激活有益微生物同时抑制病原体（Hassan和Mathesius，2012年；Ling等人，2013年）；碳或氮含化合物的波动通常与根际微生物的重组有关（Baker等人，2024年）。这些发现表明，由代谢物驱动的微生物组装是植物健康调节的关键生态机制。

通过促进深层混合和土壤结构的重组，RTL可能改变根际中根系来源的代谢物的空间分布和积累，从而影响微生物的组装和活性。然而，这些代谢物和微生物之间的相互作用在RTL介导的病害抑制中是否起核心作用尚不清楚。基于这些考虑，我们提出了以下假设：（1）RTL显著改变了根际微生物群的结构，并促进了有益菌群的富集。（2）RTL引起的根际代谢物组成的变化，特别是在信号相关代谢物方面，在重构微生物群中起着关键作用。（3）特定代谢物促进了有益微生物的定植和活化，建立了将代谢物信号传导、微生物响应和病原体抑制联系起来的协调防御机制。我们通过结合宏基因组测序、非靶向代谢组学和功能验证研究来验证这些假设，以阐明RTL对棉花根际微生物组和代谢物网络的协同效应。本研究旨在揭示耕作引起的根际化学和微生物学的改变如何有助于病害抑制。当前工作的结果为可持续棉花健康的土壤管理策略提供了新的机制见解。

实验站和设计

2023年，实验在中国河北省河北科学院林业科学研究所的威县农业实验站（36°98′N, 115°25′E）进行。该地点具有温暖的温带半干旱大陆性季风气候，季节性明显，太阳辐射充足。实验地点包括一个连续旋耕的棉花田，土壤为沙壤土，自然感染了V. dahliae。基线土壤

RTL对抑制立枯病的效果

与CK处理相比，RTL处理下的立枯病发生率和病害指数分别降低了34.41%和56.50%（表1）。这些结果表明，RTL可以抑制棉花的立枯病。

RTL诱导根际细菌和真菌群落的不同反应

RTL显著改变了棉花根际中细菌和真菌群的多样性和组成，这通过Shannon指数和基于BrayCurtis距离的PCoA分析得出。细菌

讨论

在本研究中，我们结合了宏基因组和代谢组学分析以及对照验证实验，以阐明RTL抑制棉花立枯病的微生态机制。我们的结果表明，RTL显著重塑了根际微生物群结构，并促进了有益菌群（尤其是假单胞菌）的富集。假单胞菌菌株NRS-42表现出强烈的拮抗活性，有效抑制了V. dahliae的生长

结论

总之，我们的发现表明，RTL通过两种不同的途径改善了棉花的健康状况：建立稳定和复杂的微生物网络，以及激活由烟酰胺介导的信号级联反应，从而富集有益的假单胞菌。这是首次阐明烟酰胺在此过程中的作用，并将这些机制整合到一个将土壤管理与微生物组介导的病害抑制联系起来的新生态框架中

资助

本工作得到了HAAFS农业科技创新项目（2022KJCXZX-MHS-6）的支持。

CRediT作者贡献声明

齐红：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。冯国义：撰写 – 审稿与编辑，监督。王燕：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。王树林：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。董明：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿，方法学。张倩：撰写 – 审稿与编辑，资源准备。