论文标题：Bio-Organic Fertilizer Modulates the Rhizosphere Microbiome to Enhance Sugarcane Growth and Suppress Smut Disease

论文链接：https://www.mdpi.com/2076-2607/13/11/2563

期刊名：Microorganisms

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/microorganisms

研究背景

甘蔗 (Saccharum officinarum L.) 是全球重要的糖料和生物能源作物，其产业价值巨大。然而，由 Sporisorium scitamineum 引起的甘蔗黑穗病 (Sugarcane Smut) 是制约甘蔗生产的主要真菌病害之一，会导致严重的产量和质量损失。长期以来，化学农药是防治土传病害的主要手段，但其过度使用带来了环境污染、病原菌抗药性增强及土壤微生态失衡等问题。因此，寻求绿色、可持续的生物防治策略迫在眉睫。生物有机肥 (Bio-organic Fertilizer, BF) 作为一种将有机物质与有益微生物相结合的新型肥料，在改善土壤肥力、促进植物生长和抑制土传病害方面展现出巨大潜力。尽管已知生物有机肥能通过调节根系分泌物和根际微生物群落结构来增强植物抗病性，但其抑制甘蔗黑穗病的具体微生物学机制仍不完全清楚。基于此，中国科学院亚热带农业生态研究所李德军研究员团队在 Microorganisms 期刊发表了题为“Bio-Organic Fertilizer Modulates the Rhizosphere Microbiome to Enhance Sugarcane Growth and Suppress Smut Disease”的研究论文。该研究通过盆栽实验，利用一种富含芽孢杆菌和木霉菌合成菌群 (SynCom)、生物炭及碳酸钙的新型生物有机肥，深入探讨了其对甘蔗生长的促进作用及对黑穗病的抑制机制，揭示了根际微生物组重塑在其中的关键作用。

研究内容及结果

1. 生物有机肥显著促进甘蔗生长并诱导系统抗性

研究团队设计了盆栽实验，比较了施用生物有机肥 (BF，含功能微生物、生物炭和CaCO₃) 与常规有机肥 (对照，Control) 对甘蔗的影响。结果显示，BF处理组的甘蔗在株高、干重、鲜重和糖分含量上均显著高于对照组 (图1)。具体而言，BF处理使株高增加了95.2%，鲜重增加了253.3%，糖分含量提高了43.1%。更重要的是，BF处理显著降低了甘蔗黑穗病的发病率，相对防效达到88.0%。生理生化分析表明，BF处理显著提高了甘蔗叶片中过氧化物酶 (POD) 和过氧化氢酶 (CAT) 的活性。这表明生物有机肥不仅直接促进生长，还通过提升抗氧化酶活性，激活了植物的系统获得性抗性 (Systemic Acquired Resistance, SAR)，从而增强了对病原菌的防御能力。

图1. 生物有机肥 (BF) 对甘蔗生长、黑穗病发病率及酶活性的影响。

2. 生物有机肥改善土壤理化性质

土壤理化性质的改变是微生物组变化的重要驱动力。研究发现，施用BF显著改变了根际土壤的理化特性 (表1)。与对照相比，BF处理组的土壤pH值从6.82显著提升至6.99，这归功于配方中碳酸钙的调节作用。此外，BF处理组的土壤速效钾 (Available K) 含量达到2130.7 mg/kg，是对照组的两倍多。这种土壤环境的优化为有益微生物的定殖和植物养分的吸收创造了有利条件。

表1. 对照和生物有机肥处理下的土壤理化性质

3. 生物有机肥重塑根际微生物群落结构

通过高通量测序技术，研究团队分析了甘蔗根际微生物群落的组成。结果显示，BF施用显著改变了微生物的alpha多样性和beta多样性。在细菌群落中，BF处理显著提高了物种丰富度 (Shannon指数)；而在真菌群落中，BF处理反而降低了多样性指数 (Simpson指数)，这与特定优势真菌的爆发性富集有关。在属水平上，BF处理诱导了根际微生物群落的剧烈转变 (图2)：(1) 细菌方面： 有益菌属 假单胞菌属 (Pseudomonas) 的相对丰度显著增加，从对照组的约1.5%上升至BF组的6.8%。(2) 真菌方面： 酵母菌迈耶氏酵母属 (Meyerozyma) 呈现爆发式增长，其相对丰度从对照组的不足0.1%激增至BF组的50%以上，成为绝对优势菌群。同时，木霉属 (Trichoderma) 的丰度也显著提高。

图2. 生物有机肥 (BF) 处理对关键微生物属相对丰度的影响。

4. 微生物功能预测与代谢通路改变

基于PICRUSt2和FUNGuild的功能预测分析揭示了微生物群落功能的转变 (图3)。在真菌功能群中，BF处理显著降低了“内生菌-植物病原菌” (Endophyte-Plant Pathogen) 功能群的相对丰度，这与黑穗病发病率的降低相一致。在细菌代谢通路方面，BF处理上调了生物素代谢、RNA降解等相关通路，而与病原菌生物膜形成相关的通路则显著下调。这些结果表明，生物有机肥不仅改变了微生物的“身份”，还重塑了它们的“功能”，使其朝着有利于植物健康的方向发展。

图3. 根际微生物群落的功能预测分析。

5. 关键微生物与甘蔗健康的相关性

为了进一步探究微生物与植物表型之间的联系，研究人员进行了随机森林分析和相关性分析 (图4)。结果表明，富集的有益菌属——Pseudomonas、Meyerozyma 和 Trichoderma ——与甘蔗的生长指标 (株高、糖分、干重) 呈显著正相关，而与黑穗病发病率呈显著负相关。

基于上述发现，研究团队提出了生物有机肥作用机制模型 (图4)：生物有机肥作为一种土壤调理剂和微生物接种剂，通过提高土壤pH值和速效钾含量优化根际环境，特异性地招募并富集了以 Meyerozyma 和 Pseudomonas 为核心的有益微生物群落。这些有益菌通过竞争排斥病原菌、分泌植物生长激素及诱导植物系统抗性，最终实现了甘蔗的增产和抗病。

图4. 生物有机肥介导的根际微生物组调控、植物生长促进及黑穗病抑制机制模型。

研究总结

本研究证实了以功能微生物 (芽孢杆菌和木霉菌)、生物炭和碳酸钙为基础的新型生物有机肥，是控制甘蔗黑穗病和促进甘蔗生长的有效策略。其核心机制在于：

• 环境重塑：改善土壤pH和钾素营养；

• 菌群招募：定向富集 Pseudomonas 和 Meyerozyma 等有益微生物，抑制病原菌生长；

• 抗性诱导：激活甘蔗自身的抗氧化防御系统。

该研究为利用根际微生物组工程技术防控甘蔗土传病害提供了理论依据和实践指导，展示了“以菌治菌”在可持续农业中的广阔前景。

期刊简介

Microorganisms (ISSN: 2076-2607) 是一个国际化、经同行评审的开放获取期刊，旨在为微生物学相关研究提供高水平的学术交流平台。期刊主题涵盖微生物学的各个研究领域，主要发表环境、植物、食品、肠道、医药、生物技术等相关领域的学术文章。目前期刊被SCIE (Web of Science)、PubMed (NLM)、Scopus等重要数据库收录。在2025年6月科睿唯安发布的《期刊引证报告》中，Microorganisms 位列微生物学领域二区，最新影响因子为4.2；同时，Microorganisms 在新锐分区的生物学大类分区中被评为二区。

期刊主编

Dr. Nico Jehmlich

Dr. Nico Jehmlich毕业于Leipzig University并于亥姆霍兹环境研究中心获得博士学位，自2013年起担任德国亥姆霍兹环境研究中心微生物组生物学小组组长。Dr. Nico Jehmlich拥有十五年微生物群落研究经验，专注于宏蛋白质组学技术，研究肠道微生物群。他开发了基于蛋白质的稳定同位素探针技术，助力发现独立完成完全硝化作用的细菌群，推动微生物学发展。其研究团队致力于探究化学暴露、肠道微生物与人体毒性结果间复杂关系。他计划为研究人员提供分享微生物研究成果的平台，维护同行评审高标准，鼓励跨学科合作，提升期刊全球影响力。

Microorganisms期刊介绍

主编：Nico Jehmlich, UFZ-Helmholtz Centre for Environmental Research, Germany

期刊主题涵盖微生物学的各个研究领域，主要发表环境、植物、食品、肠道、医药、技术等微生物相关领域的学术文章。现已被SCIE (Web of Science)、PubMed (NLM)、Scopus等重要数据库收录。

欢迎订阅Microorganisms期刊最新资讯：

https://www.mdpi.com/journal/microorganisms#journal-alerts