砧木特异性微生物组与代谢组重塑增强甘氨酸替代硝酸铵在西瓜栽培中的功效

本研究通过嫁接西瓜（接穗：西瓜；砧木：自嫁接西瓜CK、野生西瓜T1、葫芦T2、南瓜T3）的25天栽培实验，结合16S rRNA测序和UPLC-MS/MS代谢组学分析，揭示了甘氨酸（G）替代硝酸铵（A）对根际细菌群落和根系代谢物的调控机制。研究发现砧木基因型是驱动细菌α多样性和网络架构的主要因素，其中T1富集双组分系统，T3增强资源竞争；代谢组分析显示南瓜砧木（T3）通过分泌氨基酸和核苷酸类物质特异性富集Edaphobacter和Actinomadura菌属。该研究为有机氮源应用和砧木-接穗组合优化提供了理论依据。

　　

引言：氮源优化与砧木选择对西瓜可持续生产至关重要。本研究探讨甘氨酸作为有机氮源是否通过砧木介导效应调控根系相关细菌群落以促进西瓜生长。西瓜作为重要葫芦科作物易受连作障碍和氮肥过量影响，而嫁接技术能改善矿物质吸收和微生物群落稳定性。研究假设甘氨酸应用能通过优化根际微生物动态提升植物适应性。

材料与方法：实验在西北农林科技大学园艺场进行，采用'8424'西瓜接穗与四种砧木（自嫁接西瓜CK、野生西瓜T1、葫芦T2、南瓜T3）嫁接，设置8 mmol/L甘氨酸和硝酸铵处理。通过测定生物量、叶绿素荧光参数（Fv/Fm）、土壤脲酶（S-UE）、蔗糖酶（S-SC）和酸性磷酸酶（S-AP）活性，结合16S rRNA测序和代谢组学分析，系统评估根际微生态特征。

结果：

3.1 氮源与砧木对植物生长的影响

南瓜砧木（T3）地上部生物量最高达1.929 g，葫芦砧木（T2）地下部生物量0.208 g。甘氨酸处理下各砧木Fv/Fm维持在0.75正常生理范围，而硝酸铵处理中CK和T3显著降低。GT3叶绿素含量较硝酸铵处理高11.8%，Adonis分析显示砧木类型对生长指标有极显著影响。

3.2 对土壤酶活性的影响

硝酸铵处理的AT3土壤脲酶活性最高（993.23 U/g），而甘氨酸显著提升蔗糖酶活性（GCK较硝酸铵高61.01%）。GT1酸性磷酸酶活性达82,638.71 U/g，显著高于AT3的42,239.21 U/g。砧木类型对三种酶活性均呈极显著影响。

3.3 根际细菌群落组成

测序获得12,790个ASVs，PCoA显示甘氨酸处理改变β多样性。南瓜砧木（T3）富集Actinobacteriota和Acidobacteriota等具有生物固氮功能的菌门。属水平分析显示CK中Mitsuaria相对丰度超50%，T3中Sphingomonadaceae显著富集。网络分析显示甘氨酸处理增加细菌互作复杂度，T1正相关比率达69.81%，T3则呈现高强度负调控。

3.4 砧木根系代谢特征

鉴定442种代谢物中氨基酸占比36.20%。南瓜砧木（T3）显著富集γ-氨基丁酸（GABA）等防御性代谢物。通路富集显示氨基酸-tRNA生物合成和嘌呤代谢显著激活。冗余分析（RDA）揭示氨基酸、核苷酸与Edaphobacter、Actinomadura呈强正相关，而Acidibacter特异性响应脂类物质。

讨论：

4.1 甘氨酸调控土壤酶与砧木表现

甘氨酸通过提供碳氮双源改变C/N比，提升蔗糖酶活性。南瓜砧木发达的根系增强氮代谢能力，其脲酶活性最高。甘氨酸可能通过上调GhGRPL基因增强植物胁迫耐受性。

4.2 砧木特异性微生物网络

甘氨酸促进功能菌群的特异性富集：CK中Proteobacteria加速碳周转，T3的Actinobacteriota参与生物固氮。野生西瓜砧木（T1）通过双组分系统增强环境感知，南瓜砧木（T3）则强化资源竞争稳定性。

4.3 代谢物驱动微生物功能

南瓜砧木分泌的GABA等物质通过激活受体协调微生物群。嘌呤代谢通路的关键作用可能与甘氨酸作为IMP前体有关。根际"三向互作"模式中，氨基酸/核苷酸富集Edaphobacter，脂类特异性招募Acidibacter。

结论：研究阐明砧木通过代谢组重塑调控根际微生物组，证实甘氨酸替代硝酸铵的可行性。南瓜砧木（T3）与甘氨酸组合通过强化氮循环和胁迫抵抗，为可持续西瓜栽培提供优化方案。未来需进一步解析微生物互作网络和土壤化学计量特征。