长期困扰我国农业生产的连作障碍问题或称为再植病害,在中药材栽培过程中表现尤为严重,据统计表明约70%的块根类药用植物都存在不同程度的连作障碍问题。作为福建省著名的道地药材一太子参,以根部入药,药用价值高,市场需求大,然而,太子参连作会造成其块根部位无法正常膨大,病虫害发生严重,品质降低、产量下降,每种一茬后,需隔3-4年后才能再种,这严重制约了中药材产业的可持续发展。因此,本研究在前人研究的基础上,进一步从根际微环境的变化、植物-微生物、微生物-微生物、植物-土壤-微生物互作角度深入研究太子参连作障碍形成的根际生态学过程与作用机制,并从根际调控的角度评价了生物质碳用于缓解太子参连作障碍的潜在价值,以期为缓解或克服太子参及其它作物的连作障碍问题提供理论依据与技术支持。结果如下:1、运用HPLC-MS和HPLC技术对太子参根际土壤和太子参组培苗中根系分泌物进行动态分析,鉴定到了9种酚酸(包括没食子酸、香豆酸、3,4-二羟基苯甲酸、对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸、香兰素、阿魏酸、苯甲酸)和8种有机酸类物质(草酸、甲酸、苹果酸、乳酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸和琥珀酸),各类酚酸和有机酸随太子参组培时间的延长其含量不断增加,但在根际土壤中酚酸含量呈现动态变化趋势,并未随连作年限的增加而增加;重茬地中有机酸总量要高于正茬,且从膨大中期开始,有机酸总量呈现累积趋势。暗示根系分泌物可能受到了土壤微生物加工、分解和转化的影响。2、采用qRT-PCR方法分析了不同连作年限下太子参根际微生物含量,随着连作年限的增加,根际土壤中总细菌和短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)含量减少,总真菌、Kosakonia sacchari和踝节霉菌(Talaromyces helicus)含量增多,尤其是在太子参患病部位根际土壤。同时,通过筛选、平板对峙和进一步验证,表明B.pumilus能有效抑制致病真菌、促进重茬地中太子参的生长,K.sacchari和T.helicus会导致正茬地中太子参患病。研究证实了连作土壤致病菌(K.sacchari和T.helicus)和有益菌(B.pumilus)的差异变化与太子参连作障碍形成有密切关系。3、体外互作分析表明,模拟太子参根际土壤中各有机酸配比的混合有机酸能够显著促进致病菌(T.helicus、Fusarium moniliforme和K.sacchari)的生长,抑制有益菌(Bacillus megaterium和B.pumuils)的生长。同时,混合配比的有机酸还会显著促进T.helicus产3A-DON和15A-DON生物毒素,对致病真菌(Fusarium oxysporum、F.moniliforme和T.helicus)代谢过程中H2O2的产生也有积极促进作用。通过趋化和生物被膜试验还表明,混合有机酸能显著促进致病细菌K.sacchari的趋化性和生物被膜的产生,抑制其在根际促生菌(B.megaterium和B.pumilus)中的表现,促使致病细菌的大量定殖。进一步分析还表明,混合有机酸不利于根际促生菌中生防基因srfAA、srfAB、bmyB、tuD、lpa-14、fenD、bioA、yndJ的表达,并且在有机酸介导下其对致病真菌(F.oxysporum、F.moniliforme和T.helicus)的拮抗能力减弱,造成病原菌增多、有益菌减少,引起根际微生物群落结构紊乱,包括招募致病菌、减少有益菌含量,加剧了对太子参生长的危害。4、体外互作结果还发现,根系分泌物中酚酸类物质对太子参根际关键微生物生长及生理特性有显著影响。结果表明T.helicus能利用8种酚酸(没食子酸、香豆酸、3,4-二羟基苯甲酸、对羟基苯甲酸、香草酸、香兰素、阿魏酸和苯甲酸),K.sacchari能利用4种酚酸(没食子酸、香豆酸、香兰素和阿魏酸)。同时发现丁香酸和混合配比酚酸能显著促进病原菌 K.sacchari和 T.helicus的生长以及 T.helicus产生 3A-DON、15A-DON毒素。同时,T.helicus合成释放的3A-DON毒素能促进病原菌K.sacchari的生长而能显著抑制有益拮抗菌B.pumilus的生长。K.sacchari在利用香兰素时会合成释放3,4-二羟基苯甲酸,该代谢产物会抑制有益菌B.pumilus的生长,揭示了连作介导根际微生物差异演化及化感互作的化学生态学机制。5、采用比较转录组学,分析发现病原菌K.sacchari在利用根系主要分泌物香兰素时,通过促进脂肪酸合成、细菌趋化、糖代谢和鞭毛相关基因的上调表达,来实现根际定殖和增加致病性,同时会代谢转化香兰素重新合成3,4-二羟基苯甲酸这种信号分子,该信号分子会反向调控有益菌B.pumilus的基因表达,通过介导芽孢杆菌的脂肪酸降解和抑制新生霉素的合成,抑制其菌群数量,导致芽孢杆菌丧失部分生防能力,降低其拮抗病原菌能力,进一步阐明了连作差异调控微生物演变的分子生态学机制。6、采用高通量测序、qRT-PCR和非损伤微测(NMT)等技术,探究外源添加根系分泌酚酸和有机酸对太子参生长、土壤微生物群落以及土壤理化性质的影响。结果表明外源添加酚酸能显著降低根际土壤中木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicillium)、假单胞菌目(Pseudomonadales)、Xanthomonadales、链霉菌目(Streptomycetales)、假单胞菌属(Pseudomonas)、伯克氏菌属(Burkholderia spp.)的相对丰度;有机酸处理显著降低假单胞菌目和链霉菌目等有益菌的丰度,却增加病原菌镰刀菌属(Fusarium)、Xanthomonadales、Micrococcales、Gemmatimonadales、F oxysporum、T.helicus和K.sacchari等在根际土壤中的含量。该结果验证了连作导致根际微生物差异演变受根系主要分泌物驱动的事实与化学生态学机制。进一步分析发现酚酸处理会促使根际土壤蔗糖酶活性和几丁质酶活性显著降低,脱氢酶活性、脲酶活性和酸性磷酸酶活性显著增加。此外,外源添加有机酸会显著降低蔗糖酶和酸性蛋白酶活性,提高脱氢酶活性。NMT检测结果表明根系分泌物能够促进致病菌F.oxysporum和T.helicus的H+外排和质膜H+-ATPase活性;而对于有益菌哈茨木霉(Trichoderma harzianum)则结果相反,表现为抑制作用。同时,在致病菌F.oxysporum的侵染下会增加太子参根部H+外排。微生物理化性质研究表明,致病菌适宜在酸性条件下大量繁殖,而有益细菌适宜在偏碱性下生长。该结果深入解释了连作太子参根系分泌物作为植物与微生物间对话的媒介,其会创造出适宜致病菌生长、抑制有益菌生长的恶性循环的酸化环境,进而导致连作太子参根际微生物群落结构失衡,营养循环受阻,土壤酸化加剧的成因与机制。7、采用宏转录组学分析了不同连作年限下太子参根际土壤的代谢变化,结果表明,太子参连作不仅会导致微生物结构失衡和土壤酸化,而且这种连作会进一步抑制根际土壤中关键代谢通路(细菌趋化和细菌鞭毛等相关基因、三羧酸循环、氮代谢、光合产物碳固定、原核生物碳固定)的基因表达,从而阻碍了土壤中微生物的生长、微生物之间交流、能量流动和物质循环。同时,连作还使得土壤中大部分代谢相关功能蛋白表达受阻,造成土壤微生物严重偏离正常土壤,正向调控一些致病菌(镰刀菌属、踝节菌属、肠杆菌属和黄单胞菌)的生长,对有益菌群(伯克氏菌属、假单胞菌属、木霉属和芽孢杆菌属)形成负调控。本研究首次从转录组学水平,分析了连作导致再植病害产生的根际生物学和分子生态学机理。8、进一步采用代谢组学、非损伤微测技术(NMT),评价了生物质碳在缓解连作障碍中的潜在价值,结果表明生物质碳对太子参的直接促进作用并不明显,但会促进其对氮素营养吸收,有助于提高其养分利用效率。同时,生物质碳能显著改变不同连作年限土壤中微生物群落结构,尤其是减少了致病菌F.oxysporum、T.helicus和K.sacchari的含量。进一步分析还发现,生物质碳会影响有益菌(B.ambifaria、P.chlororaphis和B.pumilus)的生长,显著抑制致病菌的生长。与此同时,生物质碳还能影响F oxysporum和T.helicus的代谢过程,吸收和降低危害植物的毒性物质含量。可见,生物质碳可用于缓解太子参连作障碍的措施之一。综上结果表明:太子参根系分泌物差异调控了根际关键微生物的生长,即对根际有益菌和病原菌具有选择性抑制和促进的不同生态效应,并且特异微生物间存在复杂的互作关系,这些特异病原菌能够对根系分泌物进行再加工和转化,合成释放抑制其它有益菌的抑菌成分,恶化土壤环境,抑制连作作物生长。可见太子参连作障碍问题是其根系分泌物介导下植物-土壤-特异微生物三者之间相互作用的结果。为探索生态修复调控,研究表明生物质碳可作为潜在调控手段,有效抑制土传病原菌的生长,进而缓解太子参严重的连作障碍问题。上述结论对深化和拓展中药资源生态学研究,助推中药资源可持续利用及相关产业体系发展,均具有重要的理论与实践意义。