西藏岩当归内生细菌多样性及其与黄酮类化合物积累的关联性研究

《Microbial Ecology》：Endophytic bacterial diversity of Vicatia thibetica collected from Xizang and the association with flavonoid accumulation

　　本研究针对西藏特有药食两用植物岩当归(Vicatia thibetica)，通过16S代谢条形码和高通量测序技术，系统解析其根际土壤及不同组织内生细菌群落结构，结合靶向代谢组学分析根部14种黄酮类化合物含量。研究发现根际土壤细菌多样性显著高于植物内生菌，Proteobacteria为优势门，Sphingomonas为优势属；相关性分析揭示Lactobacillus、Bradyrhizobium等11个属与芹菜素、芦丁等7种黄酮积累显著相关，为阐释植物-微生物互作机制及优质药材培育提供新视角。

　　

在青藏高原的崇山峻岭间，生长着一种名为西藏岩当归(Vicatia thibetica de Boiss)的珍稀植物，它不仅是藏药五大根药之一，更因富含具有抗炎、抗氧化活性的黄酮类化合物而备受关注。然而这种多年生植物需要四年才能成熟，产量远不能满足药用需求。更令人困惑的是，为何同一植物在不同组织中会积累特定药用成分？近年研究发现，植物内生微生物可能成为解开这一谜题的关键钥匙——它们不仅能促进植物生长，甚至能直接合成与宿主相同的活性物质。但在高海拔极端环境下，岩当归体内的"微生物工厂"究竟如何运作？它们与黄酮类化合物的合成又有怎样千丝万缕的联系？这成为研究者们亟待探索的科学谜题。

为揭开这一谜团，研究团队选择西藏林芝三个海拔2940-3674米的人工种植区，采用培养非依赖技术对三年生岩当归的根际土壤、根和茎进行系统采样。通过16S rRNA基因高通量测序、靶向代谢组学检测以及多变量统计分析，首次构建了高原特殊生境下药用植物-微生物-活性成分的三角关系图谱。

关键技术方法包括：采用Illumina MiSeq PE300平台进行16S代谢条形码测序，通过PICRUSt预测细菌功能；利用UPLC-MS/MS靶向检测35种黄酮化合物；运用RDA分析和Spearman相关性检验揭示微生物与代谢物关联。所有样本均来自西藏林芝三个海拔梯度的人工种植区，每个样点设3个生物学重复。

分析测序数据和Alpha、Beta多样性

研究共获得1,489,777条高质量序列，归并为3228个OTUs（操作分类单元）。稀释曲线显示所有样本测序深度均达到饱和状态。Alpha多样性分析表明，根际土壤的Sobs、Chao1、Shannon和Ace指数均显著高于根内和茎内内生菌（p<0.05），而根与茎之间差异不显著。Beta多样性分析显示不同组织部位微生物群落结构存在显著差异（p=0.001），且海拔梯度对茎内生菌群落的影响尤为突出。

物种组成分析

在所有样本中共鉴定出36个门、840个属。Proteobacteria、Actinobacteria和Firmicutes为三大优势门，其中Proteobacteria在茎中相对丰度最高。在属水平上，根际土壤以Bacillus、Solirubrobacter等为主；根内优势菌为Novosphingobium（96.3%）、Actinoplanes（93.7%）；茎内则以Sphingomonas（99.0%）、Pseudomonas（97.4%）为代表。值得注意的是，根药用部位特异性地富集了Aeromicrobium、Mycobacterium等14个属，其丰度显著高于其他组织。

细菌群落功能预测

PICRUSt功能预测显示，RNA加工与修饰是样本中最主要的功能类别（相对丰度9.51%-10.96%）。BugBase表型预测发现根内厌氧菌比例显著高于其他组织（p<0.05），而茎中富含形成生物膜和携带可移动遗传元件的菌株。这种功能分化暗示不同组织微环境对微生物功能的筛选作用。

岩当归根部的靶向代谢组学分析

LC-MS/MS检测发现根部含有14种黄酮化合物，包括芹菜素(apigenin)、木犀草素(luteolin)、L-表儿茶素(L-epicatechin)等。其中L-表儿茶素和黄芪苷(astragalin)含量最高，分别超过0.010μg/g。值得注意的是，杨梅素(myricetin)仅存在于LZ-2样本，而异牡荆素(isovitexin)和地奥司明(diosmin)在LZ-2中几乎检测不到，显示海拔梯度对代谢物积累的显著影响。

内生细菌与代谢物的关联分析

RDA分析表明前两个排序轴共解释57.31%的变异。Spearman相关性热图揭示11个细菌属与7种黄酮积累显著相关：Lactobacillus与芦丁(rutin)、L-表儿茶素呈强正相关；Kurthia和Actinocorallia与芹菜素、槲皮素等正相关；Novosphingobium等菌属则与黄芪苷积累密切关联。这些菌群可能通过直接合成、调控代谢通路或诱导植物防御反应等机制影响黄酮积累。

研究结论指出，岩当归不同组织形成特异的微生物群落结构，根药用部位富集的特定菌群与黄酮积累存在显著相关性。这一发现不仅为阐释高海拔药用植物-微生物共进化机制提供新证据，更为后续分离黄酮合成功能菌株、通过微生物调控提升药材品质奠定基础。研究者建议未来应结合纯培养技术验证功能菌株，并系统解析土壤养分通过微生物影响黄酮合成的机制。该研究发表于《Microbial Ecology》，为高原特色药用资源可持续利用提供了微生物视角的创新解决方案。