近日，四川农业大学郑顺林教授团队在国际著名期刊Plant Communications（IF=9.4，一区Top）上发表题为“Self-alleviation of continuous cropping obstacles in potato via root exudate-driven recruitment of growth-promoting bacteria”的研究论文。该研究利用昊为泰微生物Accu16S^®细菌绝对定量测序专利技术，系统揭示了长期连作条件下，马铃薯通过分泌特定根系代谢产物“川陈皮素”（nobiletin）招募高产IAA的促生菌Pantoea sp. MCC16，从而提升根际生长素含量，促进不定根发生，通过增强自身抗性，缓解连作胁迫对苗期生长受限问题。本研究为理解作物自主调控根际微生态以应对连作胁迫提供了新范式，并为开发绿色可持续的马铃薯栽培策略提供了理论支撑。

英文题目：Self-alleviation of continuous cropping obstacles in potato via root exudate-driven recruitment of growth-promoting bacteria

中文题目：马铃薯通过根系分泌物招募促生菌缓解连作障碍的机制研究

发表期刊：Plant Communications

影响因子：9.4（一区Top）

发表时间：2025年5月

1.首次发现马铃薯通过分泌川陈皮素招募特定促生菌以缓解连作胁迫，揭示了植物自主调节根际环境的能力。本研究通过增强植物自身抗性，实现连作障碍的缓解。

2.利用昊为泰Accu16S^®细菌绝对定量测序专利技术，精准揭示了Pantoea sp. MCC16在苗期第20天的丰度激增现象，体现出定量技术对关键时间节点微生物变化的高灵敏度。

3.建立了“根系分泌物–有益菌–根系激素–不定根发育”调控路径模型，丰富了作物根际信号调控理论。

4.筛选获得高产IAA菌株Pantoea sp. MCC16，具备未来微生物菌剂开发潜力。

研究者首先进行了连作障碍表型及根系生理特征检测，结果显示，相较于非连作条件（NCC），连作马铃薯（CC）在苗期10天（DAE-10）至20天（DAE-20）时的不定根数量明显下降，根系生长素（IAA）含量亦显著受抑，但在20天至30天（DAE-30）阶段，CC马铃薯的不定根数量迅速上升，IAA水平恢复甚至超过NCC（图1A），提示马铃薯可能具备一定的自我修复机制。与此同时，CC土壤中香兰素含量在各时期均高于NCC土壤，表明连作土壤中自毒物质的持续积累（图1B）。马铃薯在CC处理下地上部与根部干重明显低于NCC组，终产量降低约24.43%（图1C）。进一步分析根中IAA代谢相关基因表达发现，CC马铃薯IAA合成基因StYUCCA5与StTAR2在整个苗期均显著受抑，而响应基因StARF3与StIAA4在第10-20天被激活，说明连作胁迫条件下植物可能借助外源IAA进行补偿响应（图1D）。

图1. 马铃薯苗期在非连作（NCC）与连作（CC）条件下，在苗期10天（DAE-10）、20天（DAE-20）和30天（DAE-30）不定根数量与IAA含量的动态变化，以及土壤中香兰素含量、植株生物量及IAA相关基因的表达情况。

随后研究者开展了土壤灭菌试验，验证微生物在缓解连作障碍中的作用。结果发现，CC土壤中IAA水平和不定根数量明显高于灭菌处理，表明功能微生物在CC土壤中发挥重要作用（图2A-B）。随后通过根际微生物移植试验发现，仅第20天CC微生物群落可显著提升不定根数量和IAA水平，并显著提高产量（图2C）。

图2. 根际微生物对马铃薯IAA积累与不定根形成的贡献。A) 在灭菌与非灭菌条件下，NCC与CC土壤中IAA含量与不定根数量的变化。B) 根际土壤移植试验中NCC与CC土壤对IAA含量和不定根数量的影响。C) 连作（CC）马铃薯苗期不同时间点的根际微生物群落对IAA积累与不定根形成的影响。

之后，利用昊为泰微生物绝对定量扩增子测序技术对根际菌群进行分析，发现CC20样本中细菌多样性升高，其中Pantoea sp. MCC16仅在该时间点大量富集（图3A-C）。该菌株IAA合成能力显著，远超NCC筛得的功能菌株（图3D-E）。盆栽验证显示，MCC16处理可提升IAA水平、激活IAA响应基因并显著促进产量提升（图3F）。

图3. 昊为泰绝对定量测序揭示不同处理下根际微生物群落结构变化，筛选出Pantoea sp. MCC16。A）不同苗期阶段NCC与CC条件下根际细菌的α多样性变化。B）不同时间点NCC与CC条件下丰度排名前十的细菌属的绝对丰度。C）MCC16在NCC与CC根际土壤中10、20与30天时的绝对丰度变化。D）MCC16与其他分离菌株的IAA合成能力比较。E）MCC16处理下马铃薯根中IAA响应基因（StARF3和StIAA4）的表达水平。F) 接种或不接种MCC16的马铃薯产量表现。

为解析MCC16的定殖驱动机制，研究者采集了CC与NCC不同苗期的根分泌物，进行了非靶向代谢组学分析。结果显示，仅CC20的根分泌物可在苗期显著增加MCC16的定殖（图4A），并在正负离子模式下共筛选出29种在CC20中特异上调的代谢物，其中11种与MCC16丰度显著正相关，川陈皮素（nobiletin）表现出强趋化性（图4B-D）。

图4. 促进MCC16富集的根分泌代谢物筛选。A）来自不同苗期阶段的根分泌物对IAA含量和MCC16丰度的影响。B）不同处理组根分泌物代谢谱的主成分分析（PCA）。C）根分泌物中29种差异积累代谢物的丰度热图。D）差异代谢物与MCC16丰度之间的相关性分析。

进一步实验证明，川陈皮素可显著增强MCC16的生物膜形成能力（图5A-B），且在非灭菌CC土壤中灌注川陈皮素可显著提升根际MCC16数量与IAA水平，促进不定根形成（图5C-D）。盆栽实验中，川陈皮素和MCC16均可显著提升马铃薯产量，其中前者主要提高块茎数量，后者提高单个块茎重量（图5E）。

图5. 川陈皮素作为关键信号促进MCC16定殖与植株生长。A）MCC16对川陈皮素的趋化反应。B）川陈皮素对MCC16生物膜形成能力的影响。C）外源添加川陈皮素后MCC16在根际土壤中的绝对丰度变化。D）外源添加川陈皮素对马铃薯苗期不定根数量的影响。E）MCC16、川陈皮素单独或联合处理后马铃薯的产量性状变化。

后，研究者构建了马铃薯缓解连作障碍的机制模型：马铃薯在连作自毒胁迫下于苗期第20天分泌川陈皮素，定向招募Pantoea sp. MCC16，提升根际IAA水平，促进不定根形成，恢复植株功能，从而实现对连作胁迫的自我缓解（图6）。

图6. 马铃薯自我缓解连作障碍的机制模型图。连作胁迫下，马铃薯苗期第20天分泌川陈皮素，定向招募Pantoea sp. MCC16，提升根际IAA水平，促进不定根形成，缓解生长受抑表型，实现自我修复和产量恢复。

本研究利用昊为泰微生物扩增子绝对定量测序技术，精准揭示了马铃薯在长期连作胁迫下，通过自主分泌川陈皮素定向招募Pantoea sp. MCC16，提升根际IAA水平，促进不定根发生，通过提高植物自身抗性，缓解自毒物质香兰素所致的根系发育障碍的全过程。研究构建了“根分泌物—有益菌招募—IAA积累—根系恢复”的调控路径模型，为马铃薯及其他作物应对连作障碍提供了新思路，也为利用植物自身调控微生态实现绿色生产提供了技术支撑。

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