可持续土壤管理通过微生物组调控作物防御：有机农业实践的社会生态机制解析

《npj Sustainable Agriculture》：Sustainable soil management practices are associated with increases in crop defense through soil microbiome changes

本研究针对土壤微生物组功能与农业实践间的关联机制不明问题，通过调查85个有机农场，结合微生物组测序、植物防御激素（JA/SA）检测及结构方程模型（SEM），发现免耕、靶向灌溉等5项实践通过调控关键微生物类群（如Fusarium chlamydosporum、Microtrichales spp.）影响作物抗虫性。成果为基于微生物组管理的可持续害虫防控策略提供了实证依据，发表于《npj Sustainable Agriculture》。

　　

在当今全球农业可持续发展的浪潮中，土壤微生物组作为“地下黑箱”扮演着关键角色，但其与农业管理实践及农户认知之间的复杂联系仍不清晰。有机农业被视为协调生态与生产的重要途径，然而，同一有机体系内不同农场的土壤微生物组成和功能存在显著差异，这种差异如何影响作物抗虫能力？又受哪些社会生态因素驱动？这些问题的解答对设计精准的生态防控策略至关重要。

为了破解这一难题，来自康奈尔大学和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究团队在《npj Sustainable Agriculture》上发表了一项创新性研究。他们通过对纽约州85个有机农场的土壤样本进行微生物组测序，结合室内植物-害虫互作实验，首次将农户信念、农业实践、微生物组动态和作物防御反应纳入统一的社会生态框架分析。研究发现，特定农业实践会通过改变关键微生物类群和多样性指标，直接或间接调控作物防御激素水平，进而影响害虫种群动态。这一成果为通过管理土壤微生物组实现可持续害虫防控提供了新视角。

研究团队运用多项关键技术方法：通过16S rRNA和ITS扩增子测序分析土壤细菌和真菌群落；利用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）定量植物叶片中的茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）；采用蚜虫繁殖实验评估土壤微生物组的抗虫功能；并基于结构方程模型（SEM）解析农户信念、实践采纳与生态结果间的因果路径。

土壤微生物群落随农场管理差异显著

研究共获得136份土壤样本，鉴定出9343个细菌OTU和6740个真菌OTU。通过主坐标分析（PCoA）和PERMANOVA发现，农户信念聚类与蒙特卡洛共识聚类均可解释微生物组结构变异，且真菌和细菌群落呈现地理分布格局，表明非生物因素驱动区域差异。

微生物组介导的植物防御诱导存在农场间异质性

通过豌豆-蚜虫生物测定发现，不同信念集群的土壤微生物组对植物防御激素诱导能力差异显著。聚类4（重视外部因素影响微生物组的农户）的土壤使植物JA和SA水平最高，蚜虫种群变异最小；而聚类7（忽视管理作用的农户）的土壤则导致JA水平最低，蚜虫繁殖变异增大。JA和SA浓度与蚜虫数量呈显著负相关，证实微生物组通过调控激素通路影响抗虫性。

三项农业实践降低微生物组α多样性

机器学习分析显示，覆膜消毒（solarization）使真菌丰富度降低9%，矿物肥施用降低真菌香农多样性24%，免耕实践降低细菌辛普森多样性12%，表明部分实践可能简化微生物群落结构。

灌溉与多样化实践分别驱动细菌和真菌更替

靶向灌溉（如滴灌）与细菌OTU和系统发育丢失增加相关，而绿肥覆盖作物和堆肥施用主要影响真菌更替。堆肥应用减少真菌系统发育更替，可能稳定群落但削弱防御诱导功能。

关键微生物类群关联植物防御响应

差异丰度分析鉴定出109个OTU与实践采纳相关。其中，病原菌Fusarium chlamydosporum（OTU 5）与JA水平负相关，而Microtrichales spp.（OTU 1139）与JA正相关；Paenibacillus senegalensis（OTU 4736）抑制JA和SA积累。免耕通过抑制F. chlamydosporum并促进Microtrichales spp.增强防御，而减少农药使用可降低P. senegalensis丰度。

农户信念通过实践采纳间接影响害虫抑制

结构方程模型揭示，农户信念通过调控实践采纳间接影响生态功能。例如，重视微生物组的农户更倾向免耕，通过调控Microtrichales spp.和F. chlamydosporum提升JA水平；而堆肥施用受经济因素（农业为主收入）驱动更强，可能通过减少真菌更替降低防御能力。

本研究首次将社会生态视角引入土壤微生物组功能研究，证明农户信念与经济-环境因素共同驱动实践采纳，进而调控微生物组介导的作物抗性。成果指出，推广免耕、靶向灌溉等实践需结合农户信念干预和政策激励（如环境质量激励计划），同时警示堆肥等“有益实践”可能因抑制微生物更替而削弱植物防御。未来研究需开发高通量微生物功能表型技术，并拓展田间验证，以推动微生物组管理在农业可持续发展中的精准应用。