薇甘菊“三招”重塑根際氮循環占先機

薇甘菊作為全球公認的惡性入侵雜草，在我國南方地區快速擴散，嚴重威脅著農林生態系統的穩定與安全。盡管此前已有研究從基因組層面揭示了薇甘菊強大的遺傳基礎，但一個關鍵問題始終懸而未決：薇甘菊能否主動改造土壤微環境，為自己“創造競爭優勢”？

2月23日，發表于《微生物組》（Microbiome）的一項研究成功揭曉答案。“我們研究發現，薇甘菊能夠通過‘三招’（調控氮轉化、富集促生菌和分泌酚類化感物質）系統性地改變土壤氮循環過程，從而在資源競爭中占據有利地位。”論文共同通訊作者、中山大學教授蘇應娟對《中國科學報》表示，該研究從“植物-微生物-土壤互作”的獨特視角，為理解薇甘菊的入侵成功提供了全新的生態學機制解釋。

由于種植薇甘菊而導致的土壤氮代謝變化模型。研究團隊供圖

地下策略：重塑根際氮循環格局

論文共同第一作者、中山大學博士生王若楠介紹，氮是植物生長發育不可或缺的關鍵營養元素。在自然生態系統中，氮的存在形態及其轉化效率直接影響著植物間的競爭態勢。

在國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目資助下，蘇應娟團隊聯合中山大學教授廖文波團隊、華南農業大學教授王艇團隊，首次系統揭示了薇甘菊通過“酶活性調控-微生物招募-化感干預”三重機制重塑根際氮循環的入侵新策略。

團隊通過溫室控制實驗，將薇甘菊與其本地近緣種假澤蘭以及無植物對照進行對比分析，發現薇甘菊根際土壤呈現出獨特的氮素分布格局：土壤全氮含量顯著升高，而銨態氮和硝態氮等可直接被植物吸收利用的無機氮含量卻顯著降低。這一現象表明，薇甘菊并非單純地“消耗養分”，而是可能通過調控氮的轉化路徑，將無機氮快速轉化為有機氮并儲存于土壤中，構建起有利于自身的營養微環境。

進一步的宏基因組分析揭示，薇甘菊根際微生物群落發生了顯著的功能重構。一方面，與銨同化相關的關鍵功能基因顯著富集，有力地促進了無機氮向有機氮的轉化；另一方面，與硝化過程和硝酸鹽利用相關的功能基因則明顯減少，這意味著氮素的轉化方向被重新“編程”。

尤為關鍵的是，薇甘菊根際顯著富集了一批具有生物固氮能力的促生菌屬。這些微生物能夠將大氣中的氮氣轉化為植物可利用的氨，為土壤氮庫實現“開源”。相比之下，本地近緣種對根際微生物群落的影響則相對有限。

“這充分表明，薇甘菊不僅改變了氮的‘使用方式’，還主動招募有利微生物參與氮的‘生產過程’，通過這種雙重策略進一步鞏固了自身在氮資源利用上的優勢。”蘇應娟說。

地下調控：多維度建立競爭優勢

論文共同第一作者、中山大學博士生王楨表示，除微生物調控外，研究還在薇甘菊根際檢測到多種特異性積累的代謝物，其中包括表兒茶素等酚類化合物。這些代謝物的含量變化與土壤氮形態的轉變呈現出顯著的相關性。

已有研究表明，酚類物質能夠抑制硝化微生物的活性。結合本研究中硝態氮含量下降以及相關功能基因受到抑制的結果，團隊推測，薇甘菊可能通過根系分泌化感物質，選擇性地抑制硝化過程，從而減少硝態氮的生成，維持有利于自身的氮素環境。這意味著，薇甘菊在地下不僅“招兵買馬”（招募有利微生物），還對關鍵的氮代謝過程進行精準干預，確保自身在氮資源利用上的主導地位。

綜合多組學證據，團隊提出了薇甘菊調控根際氮循環的協同機制模型：一是“開源”，通過招募固氮微生物增強生物固氮作用，提高土壤全氮的總體儲量，為自身生長提供充足的氮源；二是“轉化”，通過強化銨同化相關功能，將無機氮迅速轉化為有機氮，減少可被競爭者直接利用的氮源，限制競爭對手的生長；三是“抑制”，通過化感物質介導和功能基因調控，抑制硝化過程和硝酸鹽利用途徑，維持對自身有利的氮形態比例，進一步優化根際氮環境。

“通過這一多維度的協同調控，薇甘菊將根際環境中的氮資源最大限度地轉化為有利于自身生長的形態，從而在種間競爭中建立起穩定的優勢地位。”論文共同通訊作者王艇指出，以往研究多從植物基因層面解釋入侵機制，而其研究突出了地下微生態互作的關鍵作用。“植物并非被動適應土壤環境，而是能夠主動塑造根際微生態，形成有利的反饋循環。”

據蘇應娟介紹，該研究過程并非一帆風順，團隊在處理復雜的土壤代謝組數據時曾遇到過難題。由于土壤環境的高度異質性，初步采用的有監督分析模型出現了“過擬合”傾向，難以準確反映代謝差異。面對這一問題，他們及時調整和充實分析策略，又借助主成分分析來捕捉關鍵的代謝信號，從而鎖定了薇甘菊根際特有的化學指紋。

蘇應娟進一步表示，未來可圍繞根際氮循環關鍵節點和功能微生物群落，探索針對性干預策略，如調控特定微生物類群或阻斷化感物質作用途徑，為薇甘菊生態治理提供理論依據和技術支撐。

相關論文信息：https://doi.org/10.1186/s40168-026-02334-8