中国农业大学资环学院张福锁院士团队倪斌教授课题组发文揭示土壤有机碳介导的宿主免疫机制

微生物菌剂（又称生物接种剂）作为替代化学肥料、推动农业绿色发展的关键技术之一，具有改善土壤健康、促进作物生长与产量提升、增强作物抗逆性的巨大潜力。然而，其在实际大田应用过程中的效果并不稳定，这一瓶颈严重制约了该技术的规模化应用。近日，中国农业大学张福锁院士团队倪斌教授课题组（RiME Lab）在细胞出版社（Cell Press）旗下的著名学术期刊《细胞—宿主与微生物》（Cell Host & Microbe）上发表了题为“Soil organic carbon mediates plant immunity–rhizosphere microbiome interactions and controls colonization resistance to microbial inoculants”的研究论文。该研究通过整合温室实验、田间试验、全球荟萃分析及多组学数据，从定量生物学的角度发现土壤有机碳是驱动微生物菌剂效果“倒U形”变化的关键环境因子，并精准鉴定了商业化微生物菌剂内部的核心增产与减产因子，为破解微生物菌剂应用的难题提供了重要理论认识。

精准甄别：锁定菌剂中的“功臣”与“元凶”

面对成分复杂的商业菌剂，研究团队通过根际微生物高通量培养组学与单菌功能验证等手段，成功对其关键组分进行“功劳归因”。研究发现，微生物菌剂中的特定真菌（如放射毛霉与淡紫拟青霉）是促进小麦增产的核心因子，其单菌接种即可实现5-22%的促生效果。然而，菌剂液态发酵上清液中含有的呕吐毒素（脱氧雪腐镰刀菌烯醇）则是主要的减产因子。这表明，商业菌剂本身即是“益菌”与“毒素”的混合体，其最终效果取决于二者在特定土壤环境下的平衡。

定量解析：土壤有机碳是微生物菌剂效果的“剂量调控器”

研究团队通过土壤有机碳梯度试验，发现菌剂增产效果与土壤有机碳含量呈显著的“倒U形”关系（即库兹涅茨曲线），最佳效果出现在土壤有机碳含量约为1.5%时。低于或高于此阈值，菌剂效果均会下降。全球田间试验的荟萃分析进一步验证了这一规律的普适性。研究指出，这种非线性关系的背后，是土壤有机碳通过调控植物免疫状态和根际微生物网络结构，进而影响有益微生物在作物根际的定殖成功率。

机制阐明：“土壤-植物免疫-微生物”三方互作的核心通路

研究进一步通过转录组与代谢组分析，揭示了土壤有机碳调控菌剂效果的宿主内部机制。研究发现，土壤有机碳水平通过影响植物根部“活性氧稳态”相关基因的表达，塑造了作物根际的化学环境，进而调控根际土著微生物为外源微生物菌剂的定殖抗性。结构方程模型等定量分析表明，在中等有机碳水平下，微生物网络结构更为“友好”，有利于有益微生物在作物根际的定殖。

 土壤有机碳介导作物-微生物互作体系对外源微生物菌剂定殖抗性的机制

(A) 土壤有机碳含量与作物根际土著微生物群落介导的定殖抗性之间呈U型关系（类似库兹涅茨曲线）。(B) 土壤有机碳含量与外源微生物菌剂对作物产量的调控效应之间呈倒U型关系。(C–D) EM菌体与EM发酵上清液在不同土壤有机碳梯度下的作用对比：在中等有机碳水平（约1.5%）下，EM菌体可提高小麦的籽粒数和产量（C）；而在有机碳含量极低或极高时，其促进效果减弱（D）。相比之下，EM上清液中的曲霉属真菌所产呕吐毒素（DON）会抑制小麦生长。土壤有机碳通过调节根际细菌与真菌的互作关系，调控拮抗微生物类群对外源菌剂的定殖抗性，从而影响作物对微生物菌剂的响应。

应用展望：为绿色农业提供精准决策依据

该研究不仅深化了我们对植物-微生物-环境互作关系的理解，更重要的是将微生物菌剂的应用从“经验性试错”向“可预测的定量化”推进了一步。基于本研究成果，初步构想以下三项政策建议：1.实施土壤有机碳精准管理：将土壤有机碳作为农业绿色发展的核心指标，通过有机肥合理施用将其调控至最佳区间。2.推动菌剂产品定向优化：引导产业界向“功能明确、组分清晰”的下一代菌剂升级，剔除产毒菌株，强化核心功能菌。3.建立基于土壤条件的菌剂推荐系统：发展基于土壤有机碳等关键指标的智能化推荐平台，实现“一地一策”的精准施用。

该成果是研究团队在“植物-土壤-微生物”互作领域的又一重要突破，为我国化学肥料工业的绿色转型与农业绿色可持续发展提供了理论支撑。中国农业大学博士研究生黄宇潇、唐胜越以及西南大学已毕业硕士研究生刘茹梦为论文的共同第一作者，倪斌教授为通讯作者。中国农业大学张福锁院士、范明生教授和中国农业科学院作物科学研究所张勇研究员在项目推进过程中亦发挥了重要作用。本研究得到国家重点研发计划（2023YFD1900504、2022YFD1901304）、中国农业大学“杰出人才”启动经费（2022RC033、2023RC016、2024RC025）以及国家自然科学基金（32100095）等项目的资助。

论文链接：https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(25)00416-0