《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Rhizosphere microbial reprogramming by rotation and nitrogen reduction suppresses tomato wilt
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番茄-黄瓜轮作结合中等氮肥减少可显著降低细菌性枯萎病发生（10.26% vs 77.93%），提高产量（6468.94 kg/ha vs 3696.3 kg/ha），通过调节土壤pH（4.33–5.42）、有机碳（达14.02 g/kg）及重塑根际微生物组（富集放线菌、芽孢杆菌，减少Ralstonia等病原菌）与代谢物耦合网络（增强有机酸及香豆素类代谢物）实现病害抑制和产量提升。
杨逊|梁虎孙|贾翠丽|林晨|安德鲁·霍姆斯|董元华|李江刚
中国科学院土壤科学研究所土壤与可持续农业国家重点实验室，南京 211115，中国
摘要
连续种植番茄会加剧连作障碍（CCO），尤其是由Ralstonia solanacearum引起的细菌性枯萎病。尽管广泛采用轮作和减少氮（N）施用量来缓解CCO，但它们对根际化学、微生物组-代谢组关联以及农艺结果的相互作用仍了解不足。在本研究中，我们通过温室田间试验比较了连续种植番茄（CC）与番茄-黄瓜轮作（RC）在常规氮肥（CF）和两种低氮施用量（MN，?20%；LN，?40%）下的表现，整合了病害发生率、产量、土壤性质、扩增子测序、代谢组学和病原体定量数据。结果表明，RC_MN组病害严重程度最低（10.26%），产量最高（6468.94公斤/公顷），而CC_CF组病害严重程度为77.93%，产量为3696.3公斤/公顷；同时RC_MN组病原体数量降至4.14×10^6个/克土壤（相比之下CC_CF组为1.62×10^8个/克土壤）。轮作和减少氮肥施用量提高了土壤pH值（CC组为3.95–5.35，RC组为4.33–5.42）和有机碳（SOC）含量（最高达到14.02克/公顷），并改变了微生物和代谢物的组成，但未影响其丰富度。轮作丰富了潜在有益的微生物类群（链霉菌、芽孢杆菌），减少了与病原体相关的类群（Ralstonia、Fusarium），并增加了有机酸和苯丙素/香豆素代谢物。综合分析表明，微生物组-代谢组组成及其相互作用是病原体抑制和产量提升的关键因素。轮作条件下Scopoletin含量增加，在RC_MN组达到峰值，并与R. solanacearum呈负相关；盆栽验证证实Scopoletin补充（0.1 mM）可减轻枯萎病严重程度和病原体生物量，尽管其在实际生产中的可行性和生态真实性仍有待验证。总体而言，轮作结合适度减少氮肥施用量有助于降低病原体压力并提高产量，同时协调根际微生物组-代谢组关联，为未来的田间试验提供了有价值的候选机制。
引言
随着人口增长和耕地减少，连续种植已成为维持农业产出的必要手段，尤其是在温室蔬菜和粮食作物系统中（Waha等人，2020年）。然而，连作障碍（CCO）已成为集约化农业绿色转型的一大障碍，表现为土壤质量下降、病原体富集、生长受阻以及抗逆性降低，最终导致产量和质量大幅下降（Deng等人，2023年；Dong等人，2023年；Zhang等人，2023年）。这些影响在高价值温室作物（如番茄、黄瓜和草莓）中尤为明显，CCO造成的损失每年高达数百亿美元，威胁粮食安全和农业生态系统稳定性（Li等人，2018年；Savary等人，2019年；Zhou等人，2023b年）。
在现有研究框架中，番茄细菌性枯萎病（Solanum lycopersicum L.）被广泛认为是CCO的代表性模型。番茄种植面积广泛，且单作倾向强烈，导致CCO频繁发生并造成严重损害（Cheng等人，2020年；Pan等人，2025年）。在连续种植超过三个周期的田地中，细菌性枯萎病的发生率通常在30%至80%之间，导致产量损失20–50%（Peng等人，2025a）。由R. solanacearum引起的细菌性枯萎病是一种典型的土传病害，是CCO的主要原因，其爆发常伴随根际菌群失调和代谢物-微生物组相互作用紊乱（Dang等人，2023年；Peng等人，2025a；Peng等人，2025b）。连续种植七年后（即每年一个种植周期），R. solanacearum富集，同时微生物多样性降低，糖类-代谢物谱型也发生改变（Wen等人，2020年）。因此，番茄-R. solanacearum病原体系统为量化CCO严重程度和评估“土壤化学-微生物组-代谢组-病原体”综合管理策略提供了可行模型。
为缓解CCO带来的限制，人们采用了多种管理措施，包括化学和生物控制、优化施肥以及轮作。熏蒸剂和杀菌剂可以迅速抑制土传病原体，但可能引发抗性、破坏共生微生物并增加环境风险（van den Bosch等人，2014年；Li等人，2022年；Sun等人，2023年）。相比之下，使用有益菌株或菌群进行生物控制具有环保性，但效果高度依赖具体环境，可能影响其稳定性和可扩展性（Hanif等人，2024年；Compant等人，2025年）。优化施肥包括营养平衡（N/P/K）、肥料形式、施用时间和用量（Zhang等人，2020年）。值得注意的是，过量氮肥施用在全球连续种植系统中普遍存在，会导致土壤酸化和营养失衡，进而加剧CCO（Song等人，2022年）。因此，减少氮肥施用量是优化施肥的关键措施，能有效缓解CCO，通过减轻土壤退化、抑制土壤生物多样性丧失和降低温室气体排放，但若缺乏配套农艺措施，可能会影响植物早期生长（Zhang等人，2015年；Wang等人，2024年）。轮作作为另一种基本策略，可以中断土传病原体的生命周期、调节养分流动并重塑微生物网络，但土地限制和市场压力阻碍了其在集约化系统中的应用（Zhou等人，2023b）。在本研究中选择黄瓜作为轮作作物，因为它在当地生产系统中是常见的温室蔬菜，且是番茄的可行替代品。此外，黄瓜与番茄在根际输入方面存在差异，作物特有的根分泌物可改变土壤养分可用性、微生物群组成和与病害相关的根际过程，使得番茄-黄瓜轮作在减少病原体传播和改善番茄季间根际条件方面具有农艺意义（Lamichhane等人，2024年；Alharthi等人，2025年）。然而，轮作在集约化系统中的广泛应用仍受土地和市场限制。综合这些措施虽能缓解CCO症状，但难以长期保障系统韧性。结合减少氮肥施用量与轮作可产生显著协同效应：轮作调节病原体动态和养分循环，而减少氮肥施用量则缓解土壤酸化和微生物失衡，共同应对CCO的关键驱动因素。因此，评估轮作与减少氮肥施用量之间的相互作用对于制定实际可行的集约化温室生产管理策略至关重要。明确这种相互作用如何影响根际微生物群组装、氮循环和植物-微生物网络，将有助于完善CCO管理的机制基础。
根际是指根与土壤的交界处，通过养分介导的化学信号和微生物功能调节植物生长和健康（Mendes等人，2011年；Kuzyakov和Razavi，2019年；Yu等人，2021年）。根际微生物群常被称为植物的“第二基因组”，在养分循环、抗病性和抗逆性中起关键作用（Mendes等人，2018年；Hansen等人，2022年；Jin等人，2024年）。经典理论认为α多样性与生态系统健康相关（Tilman等人，1996年；Loreau和de Mazancourt，2013年；Isbell等人，2015年）。然而，在单作系统中，病害抑制更多是由微生物群组成和功能特征决定的（Cornell等人，2023年；Yang等人，2023a；Cao等人，2024年）。例如，具有抗菌生物合成基因簇的链霉菌可以抑制R. solanacearum，而不改变整体微生物多样性（Wei等人，2024年）。此外，植物和微生物产生的根际代谢物作为信号和抗生素，调节植物-微生物及微生物间的相互作用，从而影响群落组成和功能，进而影响生长和抗病性（Song等人，2025年；Wu等人，2025a；Wu等人，2025b）。例如，水稻根部分泌的脂肪酸和酚酸通过吸引芽孢杆菌和假单胞菌来增强养分吸收并诱导系统抗性（Thamizharasan等人，2025年）。然而，不合理的农业实践也会通过改变代谢动态破坏根际相互作用。连续种植会积累有利于病原体定殖的酚类化感物质（如香草酸和阿魏酸），同时抑制有益微生物（Deng等人，2023年；Zhou等人，2023a；Sun等人，2025年），从而破坏代谢组-微生物组相互作用，促进病原体建立并削弱有益微生物功能。尽管越来越多的证据表明微生物组-代谢组之间存在关联，但轮作与减少氮肥施用量如何共同重塑这些关系仍不清楚。特别是，这种管理措施是否改变了关键代谢物、重组了微生物-代谢物关联以及它们与病原体数量和产量稳定性的关系尚不明确。
尽管连续种植通常会导致微生物多样性降低，但初步数据显示其细菌和真菌α多样性反而高于轮作，这可能反映了功能冗余、病原体富集或组成变化。为了探讨轮作与减少氮肥施用量是否能够抑制细菌性枯萎病并稳定番茄产量，以及进一步了解土壤化学性质、微生物和代谢物组成以及与病害和产量相关的微生物-代谢物关联的变化，我们提出以下假设：1）轮作与减少氮肥施用量结合可抑制细菌性枯萎病并维持产量；2）这种组合可重塑根际微生物组和代谢谱型；3）特定微生物类群和代谢物与番茄健康结果相关。为此，我们比较了三种氮肥施用量（常规、减少20%和减少40%）下的番茄单作和番茄-黄瓜轮作，整合了农艺性状、根际土壤化学、扩增子测序（16S/ITS）、非靶向代谢组学和病原体定量，以识别响应管理的生物标志物和病害抑制的潜在机制途径。
田间试验设计与土壤采样
在中国江苏省南京市横溪镇（31.73°N，118.78°E）进行了长期田间试验，该地区属于湿润亚热带气候，年均温度为15.4℃，相对湿度为65–85%。2016年3月至2024年7月，两个相邻温室分别采用连续种植番茄（Solanum lycopersicum cv. Hezuo 903）或番茄-黄瓜轮作（Cucumis sativus cv. Zhongnong 18）的管理方式。这两个温室相邻，共享相同的
轮作和减少氮肥施用量对番茄细菌性枯萎病、产量及根际土壤化学性质的影响
种植系统和氮（N）施用量显著影响番茄的农艺性状（P<0.001），包括植株死亡率、细菌性枯萎病严重程度和田间产量。连续种植番茄并施用常规肥料（CF）导致最高的死亡率（40.43±1.46%）、最严重的病害（77.93±1.33%）和最低的产量（3696.37±50.02公斤/公顷）（图1，图S2）。相比之下，减少氮肥施用量（MN，LN）缓解了这些不良影响（P<0.001）轮作和减少氮肥施用量对根际健康和番茄产量的协同效益
种植系统和氮（N）输入共同影响根际动态，但它们对土壤化学性质、微生物组-代谢组网络和作物产量的综合影响仍不明确。以番茄为模型，我们整合了农艺、土壤、微生物组和代谢组数据，评估了三种氮肥施用量下轮作和减少氮肥施用量如何共同调节根际过程和植物健康结论
研究表明，种植系统和氮肥管理共同调节土壤化学条件、根际微生物组-代谢组网络和病原体动态，最终影响植物健康和产量。通过整合农艺、土壤、微生物组和代谢组数据，我们强调了轮作与减少氮肥施用量之间相互作用的实际重要性，并认为适度减少氮肥施用量的轮作是一种能改善土壤功能并抑制细菌性枯萎病的管理策略
CRediT作者贡献声明
杨逊：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、方法学设计、数据整理。李江刚：资源获取、项目管理、方法学设计、资金申请、概念构思。董元华：方法学设计、概念构思。安德鲁·霍姆斯：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。林晨：数据整理。贾翠丽：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。梁虎孙：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42377129）的资助。
