Microbiome | 苏应娟教授课题组揭示薇甘菊重塑根际氮循环的入侵新机制

       薇甘菊（Mikania micrantha）是全球公认的恶性入侵杂草之一，在我国南部地区迅速蔓延，对农林生态系统造成严重威胁。此前研究已从基因组层面揭示其强大的遗传基础，但一个关键问题仍未解开：薇甘菊是否能够通过改变土壤微环境，主动为自己“创造优势”？

       2月23日，苏应娟教授课题组联合生命科学学院廖文波教授团队和华南农业大学王艇教授团队，在国际微生物生态学期刊Microbiome （IF=12.7）发表题为“Mikania micrantha invasion restructures rhizosphere nitrogen cycling through enzyme activation, microbial recruitment, and allelopathic regulation”的研究成果。研究发现，薇甘菊能够通过调控根际微生物和化感物质分泌，系统性重塑土壤氮循环过程，从而在资源竞争中占据优势地位。这一成果从“植物—微生物—土壤互作”的角度，为理解薇甘菊入侵成功提供了新的生态机制解释。

       从“抢氮”到“控氮”：薇甘菊的地下策略

       氮是植物生长最关键的营养元素之一。在自然生态系统中，氮的存在形式和转化效率往往决定了植物之间的竞争格局。研究团队通过温室控制实验发现，与本地近缘种假泽兰及无植物对照相比，薇甘菊根际土壤呈现出一种独特格局：土壤全氮含量升高，但铵态氮和硝态氮等无机氮含量却明显降低。这一现象表明，薇甘菊并非简单地“消耗养分”，而是可能通过调控土壤氮的转化路径，将无机氮快速转化并储存在有机氮库中，形成对自身更有利的营养微环境。

       上图为薇甘菊（Mmic）、假泽兰（Mcor）和对照土壤（CK）的土壤理化特性的比较，包括有机质（OM）、全氮（TN）、铁（Fe）、碳氮比（C:N）、电导率（EC）、磷(P)、钾(K)、铵（NH₄^⁺）和硝酸盐（NO₃^⁻）。

       微生物“盟友”：重塑根际功能群落

       进一步的宏基因组分析显示，薇甘菊根际微生物群落发生了显著功能重构。一方面，与铵同化相关的关键功能基因显著富集，促进无机氮向有机氮的转化；另一方面，与硝化和硝酸盐利用相关的功能基因则明显下降。这意味着氮素的转化方向被重新“编程”。更为重要的是，薇甘菊根际显著富集了一批具有生物固氮能力的促生菌属。这些微生物能够将空气中的氮气转化为可利用的氨，为土壤氮库“开源”。相比之下，本地近缘种对根际微生物群落的影响较弱。这表明，薇甘菊不仅改变氮的“使用方式”，还主动招募有利微生物参与氮的“生产”。

       左上图（a）为参与氮代谢的主要微生物属在根际土壤样本中的相对丰度。左下图（b）为基于Bray–Curtis的氮循环功能基因PCoA图。PERMANOVA结果显示三组之间存在显著差异。右图（c）为薇甘菊（Mmic）、假泽兰（Mcor）与对照（CK）之间氮代谢基因的差异丰度。

       化感物质：地下调控的关键分子

       除了微生物调控，研究还在薇甘菊根际鉴定出多种特异性积累的代谢物，其中包括表儿茶素等酚类化合物。这些物质与土壤氮形态变化显著相关。已有研究表明，酚类物质能够抑制硝化微生物活性。结合本研究中硝态氮含量下降及相关功能基因受抑的结果，研究团队推测，薇甘菊可能通过根系分泌化感物质，选择性抑制硝化过程，从而减少硝态氮生成，维持对自身更有利的氮环境。这意味着，薇甘菊在地下不仅“招兵买马”，还对关键代谢过程进行精准干预。

       左图为六种具有代表性的差异代谢物在薇甘菊（Mmic）、假泽兰（Mcor）与对照（CK）的相对丰度的热图。右图为六种代表性的代谢物与土壤理化特性之间的相关性热图。

       构建“开源—转化—抑制”的氮循环调控模型

       综合多组学证据，研究团队提出了薇甘菊调控根际氮循环的协同机制模型：

       开源：招募固氮微生物，增强生物固氮，提高土壤全氮储量；

       转化：强化铵同化功能，将无机氮快速转为有机氮；

       抑制：通过化感物质和功能基因调控，抑制硝化及硝酸盐利用途径。

       通过这一多维协同调控，薇甘菊将根际氮资源最大限度地转化为有利于自身生长的形态，从而在竞争中形成稳定优势。

上图为由于种植薇甘菊而导致的土壤氮代谢变化模型。

       为精准防控提供新思路

       该研究首次系统揭示了薇甘菊通过“酶活性调控—微生物招募—化感干预”三重机制重塑根际氮循环的过程。不同于单纯从植物基因层面解释入侵成功，本研究强调了地下微生态互作在入侵过程中的关键作用。
       研究团队表示，未来可围绕根际氮循环关键节点和功能微生物群落结构，探索干预策略，为薇甘菊的生态治理提供更具针对性的理论依据。

       该项研究获得了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划项目、深圳市科技创新委员会项目等多个项目资助。苏应娟教授、王艇教授和廖文波教授是论文共同通讯作者，博士生王若楠、王桢为论文共同作者。相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s40168-026-02334-8

初审：苏应娟     审核：辛国荣     终审：杨德胜