《Microorganisms》：Integrated Metagenomic and Metabolomic Analyses Reveal Rhizosphere Soil Microecological Changes in Thlaspi arvense L. Lines with Different Alkaloid Contents
Wenjie Zhang,
Chao Fan,
Lie Yang,
Yan Sun and
Lili Tang
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本研究整合宏基因组学和代谢组学技术，深入探讨了总生物碱含量显著不同的三个菥蓂（Thlaspi arvenseL.）品系其根际微生物群落与代谢物的动态变化及其互作机制。研究表明，品系间次级代谢物（特别是生物碱）的差异是驱动其根际微生物组特异性组装的关键因素。高生物碱品系（HeL43）通过改变根系分泌物，选择性富集了具有生物碱耐受/降解能力的微生物类群（如节细菌属（Arthrobacter）、贪噬菌属（Variovorax）等），并激活了特定的次级代谢通路（如抗生素合成）。这为解析植物-微生物-土壤化学对话提供了新见解，并为制定更经济高效的菥蓂栽培策略提供了科学基础。
引言
菥蓂（Thlaspi arvenseL.）是一种具有重要经济价值的覆盖作物，其活跃的根系全年支撑着关键的生态过程。植物根系通过分泌次级代谢物（如生物碱、萜类、酚类等）来选择性调控其根际微生物群落，这些相互作用反过来又会影响植物代谢谱。根际微生物组作为微生物组的重要组成部分，对植物生长发育、病虫害生物防治及次级代谢物积累至关重要。然而，针对不同菥蓂品系间根际微生物组和代谢组的系统比较研究仍然有限。本研究选取了总生物碱含量显著不同的一个高生物碱品系（HeL43）和两个低生物碱品系（JiL67, LiN54），通过三年连续栽培试验，旨在揭示品系差异如何塑造根际微生态过程。
材料与方法
试验在黑龙江省农业科学院民主试验站进行。三个菥蓂种质资源分别来自吉林、辽宁和黑龙江，分别标记为JiL67、LiN54和HeL43，并设未种植对照（CK）。在成熟期（2025年6月10日）采集地上部生物量和根际土壤样品。测定农艺性状和生理指标（如总生物碱含量）后，对根际土壤进行宏基因组测序和非靶向代谢组学分析。利用FASTP、MEGAHIT等工具处理宏基因组数据，并通过KEGG和NR数据库进行功能注释和分类学分配。代谢组学数据通过LC-MS/MS系统采集，使用Progenesis QI软件处理，并通过PCA、OPLS-DA等统计分析筛选差异代谢物。整合两组学数据进行关联分析，以揭示微生物与代谢物之间的相互作用。
结果
3.1 高、低生物碱菥蓂种质根际微生态比较
3.1.1 农艺性状与生理指标
三个品系按总生物碱含量分为H（高，HeL43，2.65 mg/g）、L1（低，JiL67，1.50 mg/g）和L2（低，LiN54，1.40 mg/g）。H的总生物碱含量显著高于L1和L2。在株高、干鲜比和蛋白质含量方面，品系间无显著差异。
3.1.2 根际微生物群落的变化
Alpha多样性分析显示，与两个低生物碱品系及CK相比，H栽培后香农指数和Pielou均匀度指数显著升高，而Chao1指数下降，表明群落多样性增加主要由均匀度驱动，并伴随群落同质化。主坐标分析（PCoA）显示四组样品明显分离，表明菥蓂种植显著改变了土壤微生物群落组成。
3.1.3 根际微生物群落组成
在门水平上，种植菥蓂的土壤（L1, L2, H）中优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria），而对照（CK）中为放线菌门、变形菌门和绿弯菌门（Chloroflexi）。在属水平上，H检测到的属数量最少。LEfSe分析揭示了种植组与CK之间微生物群落丰度的显著差异。在高生物碱品系H的根际，节细菌属（Arthrobacter）、贪噬菌属（Variovorax）和类诺卡氏菌属（Nocardioides）等与生物碱降解相关的细菌丰度较高。
3.1.4 根际微生物组的潜在功能通路
KEGG通路分析表明，种植菥蓂后，与酮体合成与降解、氨基苯甲酸降解、氟苯甲酸降解及多环芳烃降解相关基因的相对丰度显著更高。不同品系富集了不同的代谢通路：L1富集了丙酸代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解以及脂肪酸代谢；L2富集了2-氧代羧酸代谢、RNA降解和嘧啶代谢；H则富集了“多种环境中的微生物代谢”、“丙酮酸代谢”和“乙醛酸和二羧酸代谢”。
3.1.5 非靶向土壤代谢物分析
主成分分析（PCA）显示L1、L2、CK和H组间根际土壤代谢物组成存在显著差异。与CK相比，三个菥蓂种植组的根际土壤中均显著富集了特定的代谢物，包括马齿苋黄质II（Portulacaxanthin II，一种具有抗炎和抗氧化活性的类胡萝卜素）、齐墩果酸（Oleanolic acid，一种重要的植物次级代谢产物）和Soraphen A（一种由粘细菌产生的聚酮类大环内酯抗生素）。KEGG富集分析显示，在所有组别中，H的代谢通路“新霉素、卡那霉素和庆大霉素生物合成”以及“12元、14元和16元大环内酯的生物合成”均持续且显著富集。
3.2 两个低生物碱含量品系间的差异比较
两个低生物碱品系（L1和L2）在农艺和生理指标上无显著差异，但L2的纤维素含量显著高于L1。微生物群落分析显示，L1的群落多样性保持稳定，而L2的香农指数和均匀度指数显著降低。代谢物动态分析显示，L1中 Cathasterone、齐墩果酸等代谢物显著上调；L2中则富集了马齿苋黄质II、Soraphen A、齐墩果酸等。
3.3 土壤微生物与代谢物的联合分析
Sankey图显示，微生物物种Phenylobacterium、Caulobacter、Mycetocola和Gemmate与差异代谢物的关联数量最多，而代谢物21,22-二异戊二烯基帕西林（21,22-Diprenylpaxilline）和PS (16:1(9Z)/18:1(9Z))与多种微生物物种联系最密切。几乎所有显著差异代谢物均与RNA降解通路中的功能基因K08300（核糖核酸酶E）相关。皮尔逊相关分析热图表明，代谢物11(R)-HETE、15-酮基-前列环素（15-keto lloprost）和Bentazon在菥蓂栽培过程中与微生物群落关系密切。联合分析发现，在L1中，多数代谢物与K18074（对苯二甲酸1,2-双加氧酶）显著正相关；在L2中，多数代谢物与K04065和K21307显著负相关；在H中，多数代谢物与K18912（γ-谷氨酰组氨酰半胱氨酸S-氧化物合成酶）显著正相关。
讨论
根际受根系分泌物影响，其微生物群落丰度和多样性与本体土壤存在显著差异。菥蓂的化感作用显著改变了根际微生物群落的结构。本研究中，根际微生物群落以变形菌门、放线菌门和酸杆菌门为主，这与先前研究一致。种植菥蓂后，酸杆菌门和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）的相对丰度显著高于对照，这些菌门在分解复杂有机物方面起着重要作用。宏基因组数据预测分析表明，菥蓂根际微生物群落降解芳香族化合物和脂肪代谢的能力增强。代谢物分析揭示了不同菥蓂品系根际代谢物的差异。高生物碱品系H的根际土壤中，马齿苋黄质II和齐墩果酸的浓度显著升高，这表明增加的生物碱合成可能改变了根系分泌物的组成，对根际微生物群落施加了选择压力，特异性富集了具有生物碱耐受/降解能力的微生物。同时，与酮体合成和降解相关的基因上调，以及II型聚酮化合物产物生物合成通路的富集，表明微生物重新定向了碳流，导致根际中Soraphen A（一种兼具抗菌和除草活性的抗生素聚酮大环内酯）的富集。关联分析揭示了差异土壤代谢物与微生物群落之间的紧密联系。Phenylobacterium（一种芳香族化合物的高效降解菌）与真菌代谢物21,22-二异戊二烯基帕西林（一种吲哚二萜类生物碱）的共同富集，表明了菥蓂根际中细菌和真菌种群之间的统计关联。
研究的局限性
本研究的局限性包括：试验仅在哈尔滨的菥蓂成熟期进行，结果在不同环境和生长阶段的普适性可能有限；样本量相对较小（n=3），限制了统计效能和推断范围；本研究是基于相关性的观察性研究，因此无法确定根际代谢物、微生物群落与菥蓂性状之间的因果关系。
结论
本研究通过整合宏基因组学和根际代谢组学分析，揭示了不同总生物碱含量菥蓂品种根际土壤微生态的变化。与总生物碱含量较低的两个品系相比，总生物碱含量较高的H可能在其根际施加了强大的选择压力，从而富集了特定的、具有生物碱耐受性的微生物类群。这些富集的微生物可能通过重塑其代谢组并激活特定的次级代谢通路（如抗生素生物合成通路）来适应这种化学胁迫，从而在根际获得竞争优势。总之，次级代谢物（特别是生物碱）的种内差异可能是菥蓂根际微生物组谱系特异性组装的关键驱
