三七根际皂苷介导的根系与土壤微生物负反馈调节机制

The negative plant-soil feedback (NPSF) in natural ecological system play an important role in regulating plant population spatial and temporal distribution and maintaining plant diversity and their relative abundance. In agricultural system, however, NPSF is the main obstacle for the sustainable crop production due to monoculture of crops. Sanqi ginseng [Panax notoginseng (Burk.) F. H. Chen], one of the most important Chinese herbal medicine, is hampered by NPSF due to soil-borne pathogens and autotoxic compounds. Our recent research demonstrated that the root rot caused by the infection of soil-borne pathogens was only the external symptom of replant failure. The negative feedback between root and soil microorganisms mediated by rhizosphere ginsenosides may be the main factor for replant failure. In this study, we aim to (1) study the effect and mechanism of autotoxic ginsenosides in rhizosphere to disturb the resistance of root to soil-borne pathogens; (2) explore the effect and mechanism of rhizosphere ginsenosides to the growth and infection of root rot pathogens or their accumulation in rhizosphere; (3) study the effect and mechanism of rhizosphere ginsenosides to change soil microbial community and function in rhizosphere. Based on these studies, we can explore the negative root-soil microorganisms feedback mediated by rhizosphere ginsenosides of P. notoginseng. These studies will benefit us to further understand the mechanism of replant failure and develop new techniques to conquer replant failure of P. notoginseng.

植物-土壤的负反馈调节是自然生态系统中植物调节自身种群时空分布，维系物种多样性和相对丰度的一个重要机制。然而，在农业生态系统中，由于单一作物的连续种植，这种负反馈调节常导致连作障碍。三七是我国独具特色的大宗药用作物，连作障碍严重制约三七产业的健康发展。本课题组研究发现根腐病仅是三七连作障碍的主要表现形式，由根际皂苷介导的三七根系与土壤微生物之间的负反馈调节可能是连作障碍形成的主要原因。因此，本项目拟深入研究：①三七根际自毒皂苷影响三七根系抗病性的效应和机制；②三七根际皂苷影响根腐病菌积累和侵染的效应和机制；③三七根际皂苷引起根际微生物结构和功能变化的效应和机制。通过这些研究可以深入解析三七根系—土壤微生物负反馈调节机制，明确连作障碍的形成原因，为克服三七连作障碍关键技术的研发提供理论依据。

三七是我国独具特色的大宗药用作物，连作障碍严重制约三七产业的健康发展。前期研究发现根腐病仅是三七连作障碍的主要表现形式，由根际皂苷介导的三七根系与土壤微生物之间的负反馈调节可能是连作障碍形成的主要原因。本文深入研究了皂苷Rg1及细胞壁降解产物（纤维二糖和半乳糖醛酸）与根腐病菌协同加重三七-土壤微生物负反馈的效应及机制，主要研究成果如下：. （1）皂苷Rg1能破坏根系细胞的抗氧化能力，诱导根系细胞ROS过量积累造成细胞毒害，根系细胞畸形、细胞壁降解，最终导致细胞死亡、根系丧失功能，降低了三七对根腐病菌侵染的抗性，有利于土壤中根腐病原菌的侵染和危害，从而加重三七—土壤微生物负反馈调节。. （2）在自然土和连作土中外源添加不同浓度的自毒皂苷Rg1和细胞壁降解产物（纤维二糖和半乳糖醛酸），发现三七根腐病发病速度加快，发病严重程度增加，明确了自毒皂苷Rg1和细胞壁降解产物能加重三七—土壤微生物的负反馈效应。. （3）试验利用ITS和16SrRNA高通量测序检测三七根际微生物群落的改变，结果发现外源添加Rg1及细胞壁降解物均能使与三七根腐病严重程度显著正相关的有害微生物在三七根际显著富集，同时使负相关的有益微生物显著地减少，并且Ilyonectria属与根腐病严重程度显著正相关。显著变化细菌功能验证结果表明，与三七根腐病严重程度显著正相关的细菌能够抑制三七出苗，并加重根腐病的发生。而与三七根腐病严重程度显著负相关的细菌能够缓解有害微生物对三七出苗的抑制并减轻根腐病的发生。证明外源添加Rg1及细胞壁降解物后，三七根际微生物群落结构朝着更有利于根腐病发生的方向改变。. （4）自毒皂苷Rg1和细胞壁降解产物纤维二糖和半乳糖醛酸能促进根腐病菌I. destructans生长和致病。转录组学分析发现，Rg1能够促进I. destructans中与有丝分裂、毒素合成和糖苷水解相关基因的表达；纤维二糖能够促进I. destructans中纤维素降解酶基因和半纤维素降解酶基因的表达；半乳糖醛酸能够促进I. destructans中果胶降解酶基因的表达。. 研究结果系统解析了三七根系—土壤微生物的负反馈调节效应和机制，为克服三七连作障碍关键技术的研发提供了理论依据，也为深入认识其它作物连作障碍的成因提供了重要参考。