《Science of The Total Environment》：Variations in the root-soil system influence the grapevine holobiont by shaping plant physiology and root microbiome
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土壤栖居细菌与真菌通过复杂的相互作用显著影响土壤理化性质，进而塑造并受限于土壤理化特征，对植物健康与生产力至关重要。研究人员采用多组学策略探究土壤组成变异如何影响葡萄全生物（holobiont）。研究将葡萄幼苗种植于砂土、泥炭及泥炭-粪肥三类差异土壤中，并在所
土壤栖居细菌与真菌通过复杂的相互作用显著影响土壤理化性质，进而塑造并受限于土壤理化特征，对植物健康与生产力至关重要。研究人员采用多组学策略探究土壤组成变异如何影响葡萄全生物（holobiont）。研究将葡萄幼苗种植于砂土、泥炭及泥炭-粪肥三类差异土壤中，并在所有土壤处理中设置土壤高压灭菌与根系热处理两组干预，以解析土壤与根系条件变异对全生物响应的调控作用。研究发现，土壤类型显著改变叶片多元素组成与浓度，同时塑造植物根际的细菌与真菌群落结构，导致参与固氮、生物防治及致病功能类群的改变。高压灭菌处理在所有土壤类型中均一致降低细菌多样性，而真菌群落受影响较小；相比之下，根系热处理对微生物群落组成影响微弱，但可诱导根系转录水平变化并改变叶片大量元素浓度。结果表明，土壤组成差异重塑整个根-土连续体，最终从根系功能到叶片营养状态多层面影响植物生理。这凸显土壤并非被动生长介质，而是决定葡萄全生物结构与功能的关键因子。研究结果进一步支持植物健康与适应性源于宿主、关联微生物组及周边土壤基质之间动态整合互作的观点。
本研究针对葡萄（Vitis vinifera）这一全球重要经济作物，聚焦根际土壤系统、宿主植物与微生物组构成的“葡萄全生物（holobiont）”互作机制展开深入解析。当前关于植物-土壤-微生物组互馈的研究多单独关注品种或土壤类型对微生物组的影响，缺乏对全生物整体响应的系统性反馈解析，尤其葡萄苗期土壤环境与前处理措施如何长期影响其生理与微生物组组装仍不明确。为此，意大利乌迪内大学联合团队在《Science of The Total Environment》发表研究，通过多组学整合框架，揭示土壤类型与根系热处理对葡萄全生物的协同调控效应，为葡萄育苗与果园土壤管理提供理论支撑。
研究采用三类商品化栽培基质——硅质河砂（简称砂土）、泥炭基绿化基质（简称泥炭）、牛马粪改良泥炭（简称粪肥）——构建差异土壤环境，结合土壤高压灭菌与50℃根系热水处理，形成12种处理组合。实验以‘特雷比亚诺·罗马涅洛’（Trebbiano Romagnolo）嫁接苗为材料，开展为期11个月的盆栽试验，整合土壤理化分析、叶片多元素检测、多光谱成像、根际微生物组测序与根系转录组测序，系统解析全生物各层级的响应规律。
主要技术方法包括：① 土壤理化表征：测定溶解有机碳（DOC）、pH、三磷酸腺苷（ATP）、碳氮比（C/N）等参数；② 叶片表型检测：通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）定量宏量/微量元素，结合多光谱相机提取归一化植被指数（NDVI）、叶绿素植被指数（CVI）、绿度差植被指数（GDVI）、归一化水指数（NDWI）；③ 微生物组分析：对根际土壤进行16S rRNA（引物341F/805R）与ITS rRNA（引物ITS3F/ITS4R）扩增子测序，基于SILVA与UNITE数据库注释，利用FAPROTAX与FUNGuild预测功能；④ 根系转录组分析：采用Illumina NovaSeq 6000平台测序，STAR比对至葡萄PN40024基因组，DESeq2筛选差异表达基因（DEGs），进行基因本体论（GO）富集分析；⑤ 多组学整合：通过RV系数检验数据集协变关系，mixOmics包实现多数据类型整合与特征选择。
研究结果如下：
3.1 土壤理化参数受土壤类型主导，高压灭菌影响次之
三类土壤的DOC、pH、ATP与C/N呈显著差异，NMDS分析明确分为三个独立簇，土壤类型可解释86%以上的理化变异；高压灭菌仅引起轻微扰动，根系处理无显著影响。
3.2 多光谱指数对处理响应较弱
多光谱指数未呈现明显聚类，但土壤类型与根系热处理共同解释约27%的变异，其中CVI与NDWI在土壤类型间差异显著。
3.3 叶片离子浓度由土壤类型决定
叶片元素NMDS分析显示砂土与泥炭、粪肥样本分离，土壤类型是唯一显著影响因子，7种元素（钾、锌、硫、磷、镁、钙、锰）浓度随土壤类型显著变化。
3.4 土壤细菌微生物组受土壤类型与高压灭菌调控
根际细菌群落按土壤类型与灭菌状态聚类，砂土pH最高、粪肥DOC与ATP最高、泥炭C/N最高；细菌群落与叶片钾、锌（粪肥）、硫、磷（泥炭）、镁（砂土）显著相关，粪肥组CVI更高、泥 peat组NDWI更高。α多样性无显著差异，但542个菌属在处理间差异丰度，固氮菌在砂土中更丰富。
3.5 土壤真菌微生物组响应模式与细菌类似
真菌群落以子囊菌门（Ascomycota）与担子菌门（Basidiomycota）为主，球囊菌门（Glomeromycota）在种植后丰度上升；α多样性表现为泥炭＞砂土＞粪肥，84个菌属差异丰度，粪肥组潜在病原真菌最少，寄生真菌在泥炭中更丰富。
3.6 氮代谢功能菌群在砂土中富集
功能预测显示，潜在植物病原细菌在泥炭中丰度最低；氮呼吸与硝酸盐呼吸功能菌在砂土最高、泥炭最低；固氮功能菌仅在砂土中大量存在。真菌中丛枝菌根（arbuscular mycorrhizae）无显著差异，内生真菌在砂土中丰度更低。
3.7 根系基因表达受土壤类型与根系热处理影响
土壤类型解释少量转录组变异，砂土与粪肥比较鉴定到5467个DEGs，富集于叶绿体基质、脂质代谢等光合相关通路；根系热处理诱导1116个DEGs，富集于翻译过程与核糖体组装。RNA测序同时检测到4种葡萄病毒，其丰度与DOC正相关，在粪肥中最高。
3.8 多组学整合验证土壤的核心调控作用
RV系数显示土壤理化参数与所有数据类型显著相关，多组学整合可有效区分土壤类型与处理，验证了土壤作为全生物调控枢纽的地位。
讨论部分指出，土壤理化性质是全生物分化的核心驱动力，不仅直接调控叶片营养与根系基因表达，还通过塑造根际微生物组间接影响宿主。高压灭菌虽仅单次处理，但仍留下持久微生物组印记，且细菌比真菌更敏感；根系热处理作为育苗常规操作，会长期重编程根系转录组，可能通过改变根际定殖时序影响微生物组组装。研究首次整合多层级数据揭示葡萄全生物的响应网络，证实土壤非被动介质，而是调控植物-微生物互作的关键界面。该成果为葡萄育苗基质选择与果园土壤管理提供了科学依据，支持通过靶向调控土壤微生物组促进植物-土壤正反馈，助力可持续葡萄栽培。
