通过LC-MS-qTOF代谢组学技术揭示有益微生物应用对有机番茄营养成分的影响

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Effect of beneficial microbes applications on nutritional profiles of organic tomatoes revealed by LC-MS-qTOF metabolomics

　　番茄植株接种Streptomyces microflavus和Trichoderma菌株单用或联合后，显著提升株高及根系发育，代谢组学分析显示复合菌群促进solafloridine等健康有益代谢物积累。

　　番茄作为一种重要的经济作物，因其富含天然化合物和矿物质而广受全球消费者的喜爱，尤其是其含有的β-胡萝卜素和类黄酮等生物活性物质，对人体健康具有显著的益处。随着对可持续农业的关注不断加深，微生物及其生物刺激剂在农业中的应用逐渐受到重视，因其对植物病害管理、生长促进以及有益生物活性次级代谢产物的合成具有积极作用。然而，尽管已有大量研究探讨了单一微生物对作物的影响，微生物群落的综合应用效果仍处于探索阶段。

本研究聚焦于番茄的微生物应用，通过评估三种有益微生物——**链霉菌**（*Streptomyces microflavus* AtB-42）、**哈茨木霉菌**（*Trichoderma harzianum* M10）和**非洲木霉菌**（*Trichoderma afroharzianum* T22——对番茄植物生长及果实代谢特征的影响。这些微生物被分别作为单一接种物或微生物群落应用于番茄植株，并通过统计分析对生物参数进行评估。研究结果表明，T22处理的番茄植株在高度（107.30厘米）上显著高于对照组和M10处理组（分别为104.30厘米和102.80厘米），这说明T22在促进番茄生长方面具有明显优势。此外，S（链霉菌）处理组与S_T22（链霉菌+T22）处理组在植物高度上表现出相似性，表明微生物群落可能在某些方面与单一菌株效果相当，未表现出负面相互作用。

在根部发育方面，T22、S以及S_T22处理组均显示出较高的根长（分别为24.10厘米、23.30厘米和24.50厘米），进一步支持了T22在促进植物根系生长方面的有效性。而M10处理组的根长（20.70厘米）则显著低于其他处理组，这表明不同微生物在促进植物生长方面存在差异。此外，番茄的产量在T22处理组中比对照组提高了10%，这一结果突显了微生物在提升番茄产量方面的潜力。整个实验过程中未发现自然病原体侵害，表明微生物处理对番茄的保护作用显著。

为了深入理解微生物处理对番茄果实代谢的影响，研究采用了非靶向代谢组学分析方法，通过液相色谱-质谱（LC-MS）技术对番茄果实中的代谢产物进行了全面检测。结果显示，共有189个分子特征被检测到，其中39个被初步鉴定。这些代谢产物主要包括酚类化合物、类黄酮、有机酸、类固醇及其衍生物，以及脂质类似分子。这一分类表明，番茄果实中的代谢产物具有高度多样性，且在不同的微生物处理下表现出显著差异。

为了进一步揭示微生物处理对番茄果实代谢产物的影响，研究还进行了靶向代谢组学分析。通过主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等多变量分析方法，研究人员发现不同处理组在代谢特征上存在显著区分。其中，T22处理组在负离子模式下表现出更明显的分离，这表明其对番茄果实代谢特征的影响更为显著。PLS-DA模型的预测能力通过交叉验证和置换测试进行了验证，结果显示模型具有较高的稳定性，且样本之间的分离具有统计学意义，排除了模型过拟合的可能性。

研究还筛选出18种显著变化的代谢产物，其中许多是番茄果实中具有生物活性的重要化合物，如**类黄酮**（naringenin、butin、quercetin、peonidin、cyanidin、kaempferol 3,7-di-O-glucoside）和**糖苷类生物碱**（tomatidine、tomatidine galactoside、solafloridine、trigonelline）。这些代谢产物在T22处理组中显著积累，表明该菌株可能通过促进代谢途径的激活，增强了番茄果实的营养和健康价值。例如，T22处理组中naringenin的含量是对照组的24倍，而butin的含量则达到了对照组的26倍。这些结果表明，T22不仅在促进植物生长方面表现优异，还在提升番茄果实中生物活性物质的含量方面具有显著作用。

值得注意的是，某些代谢产物在不同处理组中表现出不同的变化趋势。例如，**tomatidine**及其糖苷形式**tomatidine galactoside**在T22处理组中显著增加，而在S和M10处理组中则未见明显变化。这一现象可能与微生物之间的相互作用有关，表明不同微生物对代谢产物合成的调控机制存在差异。此外，一些代谢产物如**solafloridine**在S_T22处理组中表现出最大的积累，说明微生物群落可能通过协同作用，进一步增强番茄果实中特定代谢产物的合成。

进一步的聚类分析（HCA）结果显示，不同处理组的代谢产物丰度存在显著差异，其中T22处理组的代谢产物丰度最高，而S和M10处理组则表现出较低的代谢产物积累。这些结果表明，T22可能在促进番茄果实中多种代谢产物的合成方面具有更强的调控能力。此外，研究还发现某些代谢产物的丰度变化与番茄果实的健康功能密切相关，如类黄酮和生物碱类化合物，它们具有抗氧化、抗炎和抗癌等作用，对人类健康有益。

总体而言，本研究揭示了微生物在提升番茄植物生长和果实代谢特征方面的潜力。通过将单一菌株与微生物群落进行比较，研究人员发现微生物群落可能在某些情况下表现出更优的促进效果。此外，研究结果表明，T22在提升番茄果实中生物活性物质的含量方面具有显著优势，而S_T22则在促进特定代谢产物如solafloridine的积累方面表现出独特效果。这些发现为未来微生物在农业中的应用提供了重要的理论依据，并为开发更高效的生物刺激剂和生物控制剂奠定了基础。

本研究还强调了微生物在农业可持续发展中的重要性。传统农业中，农药和合成肥料的频繁使用不仅增加了生产成本，还可能对生态环境和人类健康造成潜在危害。相比之下，微生物的应用不仅能够减少化学投入，还能通过自然的代谢调控机制提升作物的品质和产量。因此，未来的研究可以进一步探索不同微生物之间的相互作用机制，以及如何优化微生物群落的组成，以实现最佳的农业效益。此外，研究还可以扩展到其他作物，评估微生物对不同植物代谢特征的影响，从而推动农业向更加绿色和可持续的方向发展。