NC︱南农沈其荣院士袁军组-增强土壤瓜氨酸降解功能缓解土传镰刀菌枯萎病-开发者社区

期刊：Nature Communications（IF = 15.7）

原文链接DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68606-x

文章名称：Enhancing soil citrulline degrading function to mitigate soil-borne Fusarium wilt

第一作者：丁哲旭文涛

通讯作者：袁军（junyuan@njau.edu.cn）

合作作者：滕昕洋、杨雯儀、袁晓航、刘潇予、谢鹏昊、赵向阳、沈其荣

主要单位：南京农业大学

连作障碍中植物来源的代谢物、病原体和特定微生物功能之间复杂的根际关系仍然知之甚少。本篇文章基于2022年在Microbiome上发表论文的结论Microbiome：沈其荣院士团队揭示土传枯萎病发病根际微生物群落形成机制，更深入的探索了特定代谢物与根际微生物群落及其功能之间的互作关系。2026年1月20日，南京农业大学沈其荣院士团队袁军教授课题组最新研究揭示了连作系统的致病机制之一：根际的瓜氨酸积累促进了尖孢镰刀菌毒素的产生；并提出了一种通过利用本土微生物群落增强和维持土壤瓜氨酸降解功能来缓解土壤传播的枯萎病的策略。研究成果以《Enhancing soil citrulline degrading function to mitigate soil-borne Fusarium wilt》为题发表于Nature Communications。

研究亮点

研究团队揭示了连作系统的致病机制之一：根际的瓜氨酸积累促进了尖孢镰刀菌毒素产生的增加，同时也相对抑制了有利于镰刀菌的土壤中的瓜氨酸周转功能。基于该机制提出了一种通过利用本土微生物群落增强和维持土壤瓜氨酸降解功能来缓解土壤传播的枯萎病的策略。这种能力是从功能基因携带者恶臭假单胞菌YDTA3中鉴定出来的。分子机制的阐明和引入关键功能性arcB基因的本土埃希氏菌群（EO-arcB）在多葫芦科作物连作系统中的应用证实了我们的假设。这些发现突显了利用无处不在的本土工程微生物群落来中和病原体衍生毒素的潜力，为融入可持续农业实践提供了一种有前景的策略。

结果

1.瓜氨酸通过提高镰刀菌酸的产量，在连作条件下促进镰刀菌枯萎病

为探究连续种植条件下瓜氨酸与西瓜枯萎病发生之间的关系，研究团队首先采集了来自不同地区的西瓜根际土壤样品。分析结果显示：发病初期土壤与促病土壤中的瓜氨酸水平显著高于未耕作、健康及抑病土壤。为进一步评估瓜氨酸含量对枯萎病的影响，团队在上述土壤中添加外源瓜氨酸开展盆栽试验。结果显示，瓜氨酸的添加显著提高了健康土壤及病害土壤中的植株发病率。此外，在使用梯度浓度瓜氨酸培养后的土壤中种植的西瓜表现出更快的病程进展和更高的枯萎病发生率。普通最小二乘（OLS）回归分析表明，在病害植株根际土壤中，瓜氨酸含量与枯萎病发生率呈显著正相关。

为进一步探究瓜氨酸促病机制，研究团队开展了西瓜专化型尖孢镰刀菌 Fusarium oxysporum f. sp. niveum（FON）与瓜氨酸的体外共培养试验。结果显示，各瓜氨酸浓度均显著增强了 FON 的镰刀菌酸(FA) 合成与积累。同时，随着 FON 对瓜氨酸的利用，其编码 FA 生物合成的基因簇（Fub1–Fub4）表达量显著上调。当瓜氨酸消耗殆尽时，上述基因的表达量逐渐接近回落至基础水平；而在补加瓜氨酸 30分钟后，基因表达水平再次迅速上调。

2.瓜氨酸周转相关功能在健康根际土壤中显著富集，具有重要的诊断价值

宏基因组分析表明，健康与发病西瓜根际土壤的微生物功能概况存在显著差异。多变量统计分析（PCA及PLS-DA）锁定了三个关键差异模块，其中涉及瓜氨酸代谢的 M00978 模块在健康土壤中显著富集（相对丰度较发病土壤高 11.53%）。网络分析进一步证实，健康土壤中瓜氨酸降解相关的反应模块呈现显著的共现聚类模式。GSEA 分析揭示，该模块内的基因主要富集于 arg 基因簇，并参与 R01954 等关键生化反应，表明健康土壤微生物群落具有更强的瓜氨酸周转能力。

3.挖掘和验证关键的微生物瓜氨酸降解基因

宏基因组溯源与微宇宙实验证实，Pseudomonas 是响应土壤瓜氨酸积累的关键类群。桑基图与网络分析显示，Pseudomonas 在瓜氨酸处理下显著富集（相对丰度由 3.12% 升至 7.09%）并占据核心生态位。基于此，研究锁定了目标功能菌株 P. putida YDTA3，并鉴定出其体内的arc与arg基因簇。

基因敲除与代谢分析揭示了该菌株的双向代谢机制：构建的ΔarcB和ΔargH 突变体在体外均表现出瓜氨酸降解能力的显著下降。代谢物定量进一步表明，arcB的缺失阻断了瓜氨酸向鸟氨酸的分解代谢（导致精氨酸积累），而 argH的缺失则阻断了向精氨酸的合成代谢（导致鸟氨酸积累）。野生型菌株通过这两条路径的协同作用，实现了对瓜氨酸的高效周转。

4.提高土壤中的瓜氨酸降解能力以生物防治枯萎病

针对 P. putida YDTA3 在连作后期生防效果衰退的问题，我们使用了基于土著菌群的改良策略。利用在多季连作土壤中丰度稳定的土著大肠杆菌为宿主，构建了表达 arcB 的工程菌群（EO-arcB）。相比于 P. putida YDTA3，EO-arcB 在多种作物的长期连作试验中表现出更持久的瓜氨酸降解能力和更优异的抑病效果。至连作第五季时，EO-arcB 处理组的发病率显著低于对照及P. putida YDTA3 处理组，证明了利用土著定殖菌群重建土壤功能的策略具有更高的生态稳定性。

引文格式

Ding, Z., Wen, T., Teng, X.et al.Enhancing soil citrulline degrading function to mitigate soil-borne Fusarium wilt.Nat Commun(2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68606-x

根际互作生物学研究室简介

根际互作生物学研究室是沈其荣院士团队内一个关注于根际互作的课题组，由袁军教授带领，主要关注：1.植物和微生物互作在克服连作障碍过程中的作用；2 环境微生物大数据整合分析；3 环境代谢组解析微生物过程研究体系开发和应用。课题组在Nature Communications，iMeta, Molecular Plant，Global Change Biology，ISME J，Microbiome，SCLS，Protein & Cell, Fundamental Research，SBB，New Phytologist，iMeta，PCE， JAFC（封面），Horticulture Research，SEL（封面）等期刊上发表了多篇文章，包括ESI高被引论文9篇。

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