氮素添加调控人参根系微生物群落与代谢物响应的机制研究及其农业可持续性意义

本研究针对氮素有效性如何调控人参(Panax ginseng)根系不同生态位微生物群落组装及其代谢活动的科学问题，通过整合微生物组学与非靶向代谢组学技术，系统解析了氮素梯度下根际-根表-内生微生物群落的演替规律。研究发现适度氮添加(N1)使人参产量提升29.90%，同时驱动微生物群落从寡营养型向富营养型转变，显著富集Rhodanobacter等氮循环功能菌群，并激活11条与植物次生代谢相关的关键通路。特别揭示了m-甲酚通过响应pH波动抑制病原菌Alternaria并促进人参皂苷合成的双重作用机制，为微生物群落定向调控提升药用植物栽培可持续性提供了理论依据。

　　

在传统中药材栽培领域，氮肥施用与药用植物产量品质的平衡始终是农业实践的难点。过度施肥导致的土壤酸化、微生物多样性丧失及活性成分含量下降等问题，严重制约着人参等名贵药材的可持续生产。更关键的是，目前对氮素如何通过重塑根系不同生态位（根际土壤、根表、纤维根等）微生物群落来影响药用成分合成的机制认知仍存在空白。

吉林农业大学传统中药学院的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究，创新性地采用多组学联用策略，通过设置0(N0)、20(N1)、40(N2) g/m²三个氮梯度，结合Illumina NovaSeq高通量测序与UPLC-MS/MS代谢组学技术，系统解析了氮素对人参根系6个生态位（BS/RS/TS/F/P/X）微生物群落结构、共现网络及代谢通路的影响。研究发现适度氮添加(N1)通过调控核心微生物功能群与关键代谢物互作，实现了产量提升与品质优化的双重效应，为精准施肥提供了分子生态学依据。

研究采用的主要技术包括：1）田间控制试验设计（3氮梯度×3生物学重复）；2）多生态位样本分层采集（根际/根表/不同根组织）；3）16S rRNA与ITS高通量测序（SILVA数据库注释）；4）UPLC-MS/MS非靶向代谢组学（KEGG通路分析）；5）微生物共现网络构建（Gephi拓扑分析）；6）土壤理化与植物表型关联分析。

【结果】
背景与实验设计：研究在吉林白山人参种植基地开展，通过分层采样策略捕获根系不同生态位微生物群落（图1A）。氮添加显著改变土壤化学性质，N1处理使产量提升29.90%（图1B），但过量氮(N2)导致根际NO₃^--N含量下降17.18 mg/kg（表1）。

微生物群落响应：α多样性分析显示氮添加普遍降低RS/TS/F/P区微生物丰富度（图2A-D）。PCoA表明细菌群落对氮响应更敏感（R²=0.04）且呈现剂量效应（图2E-F）。群落组成上，Proteobacteria和Firmicutes在植物内生区显著富集，而N2处理使根际Acidobacteriota减少8.45%（图3A）。关键属Rhodanobacter在所有生态位均被氮素显著诱导（图3B）。

共现网络特征：微生物互作复杂性沿BS→RS→TS→F→P→X呈单峰分布，F区网络节点最多（182个）（图4D）。细菌-细菌互作占主导（86.7%），Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia等成为核心连接者（表S21）。

代谢组学发现：氮处理显著改变11条代谢通路（图S9），其中m-甲酚与4-氧视黄酸等12种差异代谢物（VIP>1）含量变化显著（图6）。m-甲酚与病原菌Alternaria呈强负相关（r=-0.82,p<0.01）。

多组学关联：网络分析揭示RS区NO₃^--N含量与产量显著正相关（r=0.72）（图7B）。人参皂苷含量与有益菌Hypocrea/Bacillus正相关，而与Alternaria负相关（图7C）。土壤pH通过调控m-甲酚抑制病原菌并促进皂苷合成（图7E）。

【结论与意义】
该研究首次阐明氮素通过三重机制影响人参栽培系统：1）重构微生物群落结构，使氮循环功能菌（Rhodanobacter等）与病原菌（Alternaria）此消彼长；2）激活植物次生代谢通路，促进皂苷合成；3）通过代谢物-微生物互作（如m-甲酚-pH-Alternaria轴）维持根际微环境稳态。发现N1(20 g/m²)为最优氮添加量，既能通过微生物网络优化提升产量，又可避免过量氮导致的代谢紊乱。研究成果为通过微生物群落定向调控实现中药材生态种植提供了创新思路，相关机制可推广至其他根茎类药用植物的精准施肥实践。