《Frontiers in Plant Science》：Spatiotemporal dynamics of culturable endophytic microorganisms in Peucedanum praeruptorum Dunn and screening for plant growth-promoting strains
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白花前胡（Peucedanum praeruptorum Dunn）（伞形科）的根为传统中药前胡，具有降气化痰、散风清热之功效。既往关于白花前胡内生菌的研究多局限于特定植物组织，缺乏对根、茎、叶及不同发育阶段内生菌群落的综合评估。为探究白花前胡内生微生物的时空
白花前胡（Peucedanum praeruptorum Dunn）（伞形科）的根为传统中药前胡，具有降气化痰、散风清热之功效。既往关于白花前胡内生菌的研究多局限于特定植物组织，缺乏对根、茎、叶及不同发育阶段内生菌群落的综合评估。为探究白花前胡内生微生物的时空分布特征并评估其作为植物生长促进（PGP）资源的潜力，研究人员于2024年9月至12月采集了根、茎、叶样品。研究采用高通量测序（HTS）分析内生微生物群落结构，结合依赖培养的方法分离功能菌株，并将促生菌株与拟南芥（Arabidopsis thaliana）及白花前胡共培养以验证其促生效应。研究共获得2592个真菌扩增子序列变体（ASVs）和6705个细菌ASVs，成功分离得到173株真菌和39株细菌。内生微生物群落表现出显著的时空异质性，9月份观测到最高的多样性。此外，群落组成在组织间差异显著，尤其是根与地上器官（茎和叶）之间。变形菌门（Proteobacteria）和子囊菌门（Ascomycota）分别被鉴定为细菌和真菌的优势门类。研究人员成功筛选出具有溶磷、解钾等PGP特性的菌株。促生效应验证结果表明，部分菌株能显著促进拟南芥和白花前胡的生长。本研究阐明了白花前胡内生菌的群落特征和功能潜力，为其生态种植及微生物接种剂开发提供了理论基础和宝贵的微生物资源。
论文解读：白花前胡内生微生物时空动态与功能菌株筛选
研究背景与意义
白花前胡（Peucedanum praeruptorum Dunn）作为伞形科药用植物，其干燥根入药称为前胡，具有悠久的药用历史。随着市场需求增加，野生资源枯竭，人工栽培成为主流。然而，栽培环境、农艺措施及采收期等因素显著影响药材质量。内生菌作为定植于健康植物组织内部且不引起明显病害症状的微生物，能够通过固氮、溶磷、解钾、产激素等多种机制促进宿主生长并提高抗逆性。特别是在药用植物中，内生菌不仅能直接产生与宿主相似的活性成分，还能间接调控宿主次生代谢，影响药材品质。既往研究多集中于白花前胡根际土壤或单一组织的内生菌，缺乏对其根、茎、叶不同组织及不同生长时期内生菌群落时空动态的综合解析。因此，本研究旨在通过高通量测序结合可培养技术，系统揭示白花前胡内生菌群落的时空分布规律，并挖掘具有应用潜力的植物生长促进（PGP）菌株，为建立生态友好型栽培体系提供理论支撑。
关键技术方法
本研究于2024年9月至12月在中国安徽省宁国市南极乡采集白花前胡的根、茎、叶样品，设置三个生物学重复。研究人员利用Illumina NextSeq 2000平台对真菌ITS区域和细菌16S rRNA基因V5-V7高变区进行高通量测序（HTS），并使用QIIME2和DADA2流程进行生物信息学分析以获得扩增子序列变体（ASVs）。同时，采用组织块法和划线法从各组织中分离纯化内生真菌和细菌，通过分子鉴定确定其分类地位。通过溶磷、解钾定性实验筛选功能菌株，并利用双隔室平板共培养和盆栽试验分别在拟南芥和白花前胡上验证菌株的促生效果，测定鲜重、根长、叶绿素含量等生理指标。
研究结果
3.1 微生物群落总体测序产出与α多样性分析
研究人员通过对ITS和16S rRNA基因区域的高通量测序，分别获得了2468536条高质量真菌reads和2250474条高质量细菌reads，聚类为2592个真菌ASVs和6705个细菌ASVs。稀释曲线趋于平坦，表明测序深度足以覆盖样本中的大多数微生物类群。α多样性分析显示，内生菌群落具有显著的时空异质性。真菌和细菌物种丰富度（ACE和Chao指数）均在9月份最高。9月份根中细菌多样性显著高于茎和叶，而真菌多样性则低于茎和叶。随着时间的推移，各组织的细菌和真菌多样性总体呈下降趋势。
3.2 白花前胡内生真菌和细菌的β多样性分析
基于加权UniFrac距离的主坐标分析（PCoA）显示，真菌和细菌群落结构在不同组织-时间组合间存在极显著差异（P < 0.001）。真菌群落中，根与茎、叶沿主坐标轴明显分离，而茎和叶样本存在部分重叠。细菌群落中，9月份的样本与其他三个月份的样本明显分开，表明9月份的细菌群落结构与其他时期差异显著。
3.3 真菌和细菌群落组成
群落组成分析表明，子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）是真菌优势门，除12月茎样本外，子囊菌门占绝对优势。属水平上，根中优势真菌属为科迪尼亚属（Codinaea），茎和叶中的优势属随采样时间发生演替。细菌群落中，假单胞菌门（Pseudomonadota）、放线菌门（Actinomycetota）和芽孢杆菌门（Bacillota）为优势门，其中假单胞菌门相对丰度高达45.89%至95.15%。属水平上，假单胞菌属（Pseudomonas）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）等在根、茎、叶中广泛分布。
3.4 白花前胡内生真菌和细菌群落的功能预测
基于FUNGuild数据库的功能预测显示，根内生真菌的主要生态功能群为植物腐生菌-木材腐生菌，而茎和叶中则以植物病原体-未定义腐生菌为主。基于PICRUSt2和FAPROTAX数据库的细菌功能预测表明，代谢是主导的一级功能类别，占比超过73%。二级通路主要涉及碳水化合物代谢和氨基酸代谢。FAPROTAX注释显示，这些内生菌可能参与氮循环相关过程，如硝酸盐还原、氮呼吸和固氮作用。
3.5 白花前胡内生微生物的分离与鉴定
通过可培养方法，研究人员共分离得到212株内生微生物，包括173株真菌和39株细菌。分子鉴定结果显示，真菌分离株主要归属于31个属，其中曲霉属（Aspergillus）、节菱孢属（Arcopilus）和炭疽菌属（Colletotrichum）为核心优势属。细菌分离株归属于16个属，优势属为短小杆菌属（Curtobacterium）、假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）和类芽孢杆菌属（Paenibacillus）。
3.6 内生微生物的PGP特性
体外功能测定显示，在173株内生真菌中，分别有52株和29株具有有机磷和无机磷溶解能力；37株具有解钾能力。在39株细菌中，8株具有有机磷溶解能力，3株具有无机磷溶解能力，3株具有解钾能力。菌株J53和PY4分别表现出最强的有机磷和无机磷溶解活性，解钾能力最强的真菌和细菌菌株分别为J8和PY3。
3.7 内生菌株对拟南芥的促生效应
双隔室平板共培养实验表明，不同菌株对拟南芥的促生效果存在差异。泡盛曲霉（Aspergillus welwitschiae, G29）、臭曲霉（Aspergillus foetidus, G30）、塔拉莫青霉（Talaromyces annesophieae, G31）和玉米类芽孢杆菌（Paenibacillus maysiensis, PG1）对拟南芥的侧根数量、鲜重、根长、叶绿素含量等指标的促进作用最为显著且稳定。
3.8 内生菌株对白花前胡的促生效应
盆栽试验进一步验证了上述菌株对宿主植物的促生效果。G30和G31显著增加了白花前胡的侧根数量，G29显著提高了植株鲜重。所有测试菌株均促进了主根的伸长。生理生化分析显示，接种菌株显著提高了叶绿素含量、可溶性蛋白含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等抗氧化酶活性。
讨论与结论
本研究系统揭示了白花前胡内生菌群落的时空动态特征，发现温度和植物组织类型是驱动群落结构变化的关键因素。9月份较高的温度可能支持了更高的微生物多样性。研究结果证实了内生菌在宿主营养吸收（如溶磷、解钾）和抗逆性（如提高抗氧化酶活性）中的潜在作用。通过结合高通量测序与可培养技术，研究不仅描绘了群落全景，还成功获得了具有实际应用价值的PGP菌株资源。特别是筛选出的泡盛曲霉（G29）和臭曲霉（G30），在拟南芥和白花前胡上均表现出稳定的促生效果，为促进白花前胡的生态种植和微生物肥料的开发提供了优质菌种。该研究为阐明药用植物与内生菌的共生互作机制奠定了理论基础，相关成果已发表于《Frontiers in Plant Science》。
