土壤与基因型交互调控野生啤酒花次生代谢产物积累及其与细菌微生物组的关联研究

《Frontiers in Plant Science》：Influence of genotype and soil on specialized metabolites production and bacterial microbiota associated to wild hop (Humulus lupulus L.): an early-stage study

　　本文首次系统研究了野生啤酒花（Humulus lupulus L.）在不同土壤类型下，其基因型与土壤的交互作用如何塑造从根际到叶片的细菌群落结构，并揭示了特定细菌类群与重要次生代谢产物（如α/β-苦味酸）积累之间的潜在关联，为通过微生物组调控提升啤酒花品质提供了新见解。

　　

2 材料与方法

研究选用了三种具有不同代谢特征的法国东北部野生啤酒花基因型（G3、G27、G31）。这些野生种质在两种不同农业土壤（酸性壤土A和钙质粉砂壤土B）的受控温室条件下进行栽培。实验设计考虑了土壤类型和啤酒花基因型两个因素，共形成六种实验条件。

在营养生长阶段收获样品，测量了包括主茎长度、地上部和根部鲜重在内的形态性状。采集根际土壤、根部（包括附生和内生菌群）和叶片（内生菌群）样品，用于后续的代谢组学和微生物组学分析。

代谢物提取采用超高效液相色谱-电喷雾电离-质谱联用技术进行分析，鉴定出包括黄腐酚、α-苦味酸、β-苦味酸及其衍生物在内的十二种次生代谢产物。微生物组分析通过16S rDNA扩增子测序进行，针对细菌的V5-V7可变区，使用Illumina MiSeq平台。数据分析包括α多样性（如Chao1、Shannon指数）和β多样性（基于Bray-Curtis距离的NMDS分析）计算，以及线性判别分析效应大小（LEfSe）来识别差异丰富的细菌类群。最后，通过Spearman相关性分析探究了细菌家族与次生代谢产物积累之间的潜在联系。

3 结果

3.1 野生啤酒花收获时的形态性状

形态性状分析表明，基因型对主茎长度和根部鲜重有显著影响。基因型27表现出较短的主茎和较低的根部鲜重，而土壤类型及其与基因型的交互作用对测量的形态性状无显著影响。

3.2 土壤和基因型对野生啤酒花叶片次生代谢产物产生的影响

代谢谱分析揭示了六种实验条件下不同的化学特征。主成分分析表明，76.6%的代谢物变异可由前两个主成分解释。基因型3在土壤A中（G3A）富含α-和β-苦味酸及其相关化合物，而在土壤B中（G3B）则富含β-苦味酸的氧化衍生物和黄腐酚。基因型31（G31A, G31B）和土壤A中的基因型27（G27A）的代谢物总体含量较低。基因型27在土壤B中（G27B）表现出中间表型。PERMANOVA分析证实，土壤和基因型各自独立地解释了约28%的代谢物变异，但两者的交互作用解释了约66%的变异，表明基因型×土壤的互作是影响次生代谢产物积累的最主要因素。

3.3 野生啤酒花微生物组测序读数

通过对根际土壤、根和叶片的16S rDNA测序，经过质控和嵌合体去除后，共获得7269个细菌扩增子序列变体（ASVs）。根际土壤的平均读数最高，其次是根和叶片。

3.4 野生啤酒花微生物组的丰富度：α多样性

α多样性分析显示，细菌丰富度从土壤到叶片呈明显递减趋势：土壤 > 根际土壤 > 根 > 叶。这表明啤酒花对其相关微生物存在明显的过滤选择效应。在根际土壤和根部，土壤类型对细菌丰富度有显著影响。在叶片中，土壤类型的影响不显著，而基因型在根部表现出一定的影响，例如基因型31的根部细菌丰富度高于基因型27。

3.5 野生啤酒花微生物组的多样性：β多样性

β多样性分析（NMDS）表明，所研究的四个区室（土壤、根际土壤、根、叶）拥有不同的细菌群落结构。土壤类型对土壤和根际土壤的细菌群落有强烈影响，这种影响在根部减弱，在叶片中更弱。在门水平上，两种土壤的原始细菌群落存在差异，并影响了后续各区的微生物招募。从土壤到叶片，变形菌门的相对丰度逐渐增加。PERMANOVA分析进一步揭示，在根际土壤和根部，土壤类型是细菌群落结构的主要驱动因素，但其与基因型的交互作用解释的变异比例最高。在叶片中，基因型的影响变得相对更重要。

3.6 啤酒花区室核心微生物组的确定

核心微生物组分析发现，根际土壤和根部存在一个由17个细菌家族组成的核心菌群，包括柯默单胞菌科、几丁质噬菌科、鞘脂单胞菌科等。叶片微生物组中没有发现所有条件共有的核心细菌家族。

3.7 微生物组-代谢组的相互作用

相关性分析发现，根际土壤中的一些细菌家族与苦味酸的积累呈显著正相关，例如芽单胞菌科、鞘脂单胞菌科。而其他一些家族，如硝化球形菌科，则与苦味酸积累呈负相关。黄腐酚的积累与细菌群落的关联较弱。部分在LEfSe分析中识别出的差异丰富的细菌家族也属于核心菌群，但它们与代谢物积累的相关性模式各异。

4 讨论

本研究首次综合分析了野生啤酒花从根际到叶片的细菌微生物组，并将其与叶片次生代谢谱相关联。结果表明，啤酒花的化学表型受到基因型和土壤的双重影响，且两者间存在强烈的交互作用。啤酒花相关的细菌群落具有明显的区室特异性，并受到土壤类型、基因型及其交互作用的显著塑造。从土壤到叶片，细菌多样性逐渐降低，显示出寄主的选择过滤效应。研究发现某些细菌类群（如芽单胞菌科、鞘脂单胞菌科）与苦味酸的积累呈正相关，提示微生物组可能参与调控啤酒花的次生代谢。这些发现为理解“风土”效应提供了微生物视角，并为通过调控根系微生物组来改善啤酒花品质的潜在应用提供了科学依据。未来的研究应包含时间动态分析、真菌群落以及功能验证（如合成微生物群落实验），以更深入地揭示微生物组与啤酒花代谢之间的因果关系。

5 结论

本研究揭示了土壤类型、啤酒花基因型及其交互作用共同塑造了啤酒花相关细菌群落，并影响了其次生代谢物的积累。研究发现了特定细菌家族与重要次生代谢物（特别是苦味酸）生物合成之间的潜在关联。这为未来通过微生物组工程手段定向调控啤酒花代谢物生产，以满足酿造工业的需求提供了新的思路和靶点。