期刊名称：Rhizosphere
影响因子：3.5
DOI：https://doi.org/10.1016/j.rhisph.2025.101028
以广西来宾天然强酸蔗田（pH 3.47）为原位模型，依托2020-2021年两季田间试验，在甘蔗工艺成熟期系统测定新植与宿根蔗株的株高、茎粗、单茎重、有效茎数及蔗汁锤度，折算公顷产量与含糖量；同步用五点S型取样法采集0–20cm根际（Rh）与远根（B）原状土，测定pH、速效钾、碱解氮及有机质等关键肥力指标，并以环刀法与湿筛法获取土壤容重、总孔隙度及>2mm、0.25-2mm、<0.25mm水稳性团聚体分布，量化酸化对土壤物理结构与养分库容量的破坏程度；随后将液氮保存的蔗根与三相土壤样品进行LC-MS/MS非靶向代谢组检测，经XCMS预处理、CAMERA注释与DESeq2差异分析（VIP≥1、|log₂FC|≥1），结合Pearson相关性检验，锁定与蔗茎产量、糖分呈显著正相关的11种核心代谢物——S-乳酰谷胱甘肽、槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸、左旋聚糖（levan）、纤维四糖（cellotetraose）、儿茶素（catechin）、白杨素（chrysin）等；进一步通过KEGG富集发现，酸化显著抑制甘油磷脂代谢、类黄酮生物合成及丙酮酸代谢等关键通路，从而在“根系-根际-土体”三相界面系统构建“酸化→代谢重编程→农艺表型”完整因果链，为热区甘蔗耐酸育种和根际精准调控提供可直接验证的分子靶点与理论依据。
（1）强酸性土壤对甘蔗产量和农艺性状的影响
强酸化甘蔗地块显著影响了甘蔗在成熟期的农艺性状、糖分含量和产量。总体来看，生长于强酸性土壤的甘蔗农艺性状在两年观测期间均显著低于相邻正常甘蔗地块，包括茎高、茎粗、单茎重、有效茎数和产量等指标。且强酸化地块中甘蔗茎部的糖分含量检测不到（见表1）。综上，强酸化土壤抑制了甘蔗的生长发育，导致糖质低下、产量几乎全失（见图1）。双因素方差分析表明，土壤酸化程度与栽培年限的交互作用对甘蔗的农艺性状和产量具有显著影响（p<0.001）。
表1.极端酸化土壤使甘蔗农艺性状下降
图1.强酸化甘蔗地块与相邻正常甘蔗地块的农艺性状表现比较。（2）强酸化对甘蔗根际土壤理化性质的影响
土壤酸化会影响甘蔗田中块体土壤和根际土壤的理化性质。与健康甘蔗田相比，强酸化甘蔗田的根际土壤和块体土壤的pH值分别显著降低了1.77和1.99。此外，速效钾含量分别显著下降了144%和123%。与健康甘蔗田的根际土壤相比，强酸化田的根际土壤中有机质和碱解氮含量分别显著下降了33.09%和22.45%（图2）。图3显示了严重土壤酸化对甘蔗田土壤容重、孔隙度以及团聚体结构的影响。强酸化甘蔗田的土壤表现出严重的板结现象，导致土壤容重显著增加，孔隙度显著降低。同时，酸化土壤中大于0.25mm的大团聚体比例减少，而小于0.25mm的微团聚体比例增加。这表明土壤酸化不利于土壤团聚体的形成与稳定，导致土壤结构、水分保持能力和养分保持能力下降。
图2.土壤酸化对甘蔗根际土壤理化性质的影响。不同小写字母表示经LSD检验在p<0.05水平下处理间差异显著。OM：有机质；TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；AN：碱解氮；AP：速效磷；AK：速效钾；C/N：碳氮比；CK：正常甘蔗田；SA：强酸化甘蔗田；B：块体土壤；Rh：甘蔗根际土壤。图3.甘蔗田酸化对土壤物理性质的影响。Volume-weight：容重；Porosity：土壤孔隙度；Percentage of Soil Aggregates：土壤团聚体组成；CK：正常甘蔗田；SA：强酸化甘蔗田。不同小写字母表示经LSD检验在p<0.05水平下处理间差异显著。
（3）强酸化对甘蔗土壤和根系内源代谢物分类及β多样性的影响土壤酸化会影响甘蔗根际土壤中代谢物的分类和组成。这种酸化显著影响了根际土壤中代谢物类别的组成和数量，进而影响土壤中微生物的生长和代谢，最终影响甘蔗的生长和品质。在本研究中，酸化甘蔗田的18个样本共检测到3308种代谢物（图4C），其中1939种代谢物分类未知，1369种已被分类和注释。在已分类的代谢物中，脂肪酰类（Fatty Acyls）、羧酸及其衍生物（Carboxylic acids and derivatives）和有机氧化合物（Organooxygen compounds）是数量最多的三类，分别占总数的13.95%、13.00%和11.32%。在这些类别中，羧酸及其衍生物、甘油磷脂（Glycerophospholipids）和蝶啶及其衍生物（Pteridines and derivatives）的相对丰度最高，分别占总丰度的18.88%、16.88%和9.49%。此外，还包括了有机氧化合物、类黄酮（Flavonoids）、酚类（Phenols）和香豆素及其衍生物（Coumarins and derivatives）等重要物质类别。
堆叠图（图4B）和组间差异分析显示了不同样本组之间已知代谢类别（相对丰度或数量大于1%）的相对含量及其差异显著性。结果表明，甘蔗土壤和根系代谢组之间在代谢类别的相对含量上存在显著差异。例如，羧酸及其衍生物在甘蔗土壤中的相对丰度为20.91%至21.63%，而在根系中仅为13.82%至14.57%。此外，酸化还影响了一些代谢类别的组成。在甘蔗根系中，酸性田块的内源类黄酮含量显著低于对照组（p<0.05）。在根际土壤中，与对照相比，酸化显著提高了鞘脂类（Sphingolipids）、萜烯脂类（Prenol lipids）、有机氮化合物（Organonitrogen compounds）和香豆素及其衍生物的相对含量，同时显著降低了类黄酮和类固醇及其衍生物的相对含量。在块体土壤中，酸化显著降低了有机氧化合物的相对含量。
如图4A所示，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）分别解释了总数据方差的90%和3%。根际土壤和块体土壤的代谢物在PC1轴上与根系内源代谢物明显分开，表明根系与土壤之间的代谢组成存在显著差异。与对照组相比，酸化田块的土壤和根系内源代谢物在PC2轴上也出现分离，说明酸化对甘蔗根系和田块土壤的代谢物均有一定影响。此外，Permanova分析结果显示，不同组之间的代谢物组成存在显著差异（p=0.001）。
图4.酸化土壤条件下甘蔗根系、根际与块体土壤的代谢组成变化。（A）正常田与酸化田所有甘蔗根系、根际和块体土壤样品的代谢物质主坐标分析（PCoA）；图右上角标注组间代谢物质组成差异显著性（Permanova，p=0.001）。（B）各组平均丰度最高的10类代谢物质，其余类别归入“Others”。（C）各样品代谢物质丰度热图；CK：健康甘蔗田，SA：强酸化甘蔗田；B：块体土壤；Rh：根际土壤；R：根系。（4）强酸化对甘蔗田土壤中特定代谢物及功能，以及甘蔗根系内源代谢物的影响
为深入解析不同生态位（根、根际土、块体土）在两种pH条件下的代谢组成差异，作者对正常田与酸化田的甘蔗根、根际土和块体土分别进行差异代谢物分析，并以Manhattan图可视化。
如图5所示，不同采样点在不同pH背景下的代谢组成存在一定差异。与普通甘蔗地相比，酸化田共鉴定到根内差异代谢物592种、根际土216种、块体土152种。其中，10种物质在根、根际、块体土三区同步显著下降；11种物质在根与根际土中同步显著减少；255种物质仅在根组织中特异显著下降。相反，7种物质在三区同步显著上升；19种物质在根与根际土中同步显著升高。
KEGG功能富集显示：根内差异代谢物主要富集于丙酮酸代谢、泛酸与CoA生物合成、蛋白质消化吸收、磷酸戊糖途径及花青素生物合成等通路；根际土差异代谢物主要富集于精氨酸/脯氨酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成、甘油磷脂代谢、倍半萜与三萜生物合成、吲哚-二萜生物碱生物合成、脂肪酸生物合成与降解、半乳糖/氨基糖/核苷酸糖代谢及丙酮酸代谢等；块体土差异代谢物主要富集于氨基苯甲酸降解、甜菜红素生物合成、脂多糖生物合成、甘油磷脂代谢、脂肪酸生物合成、吲哚-二萜生物碱生物合成及类胡萝卜素生物合成等（图6C）。
在正常田与酸化田的对比中，上述绝大多数通路在酸化田的活性显著低于正常田。其中，甘油磷脂代谢与吲哚-二萜生物碱生物合成在根际土和块体土中同时明显下降，可能反映了甘蔗对酸化环境的适应性调整，也可能是限制其生长与产量的重要代谢因素。
图5.曼哈顿图展示了健康与强酸化甘蔗田在不同部位（根系、根际/块体土壤）代谢物丰度的差异。每个点或三角形代表一种代谢物：向上三角形表示在酸化甘蔗土壤中显著富集（p<0.05），向下空心三角形表示在对照甘蔗土壤中显著富集（p<0.05），实心圆表示无显著差异（p>0.05）。x轴按字母顺序排列并着色显示前13类主要代谢物类别，其余归为低丰度类别；y轴为P值以10为底的负对数。A、B、C分别对应甘蔗根系、根际土壤和块体土壤。D的维恩图展示了酸化田（红色）与对照田（绿色）在根系、根际土和块体土中共有或特有的显著富集代谢物。
图6.正常甘蔗田与酸化甘蔗田中，甘蔗根系（A）、根际土壤（B）和块体土壤（C）代谢物的KEGG差异通路分析。负分表示该代谢通路在正常田中的活性高于酸化田；正分表示该代谢通路在正常田中的活性低于酸化田。
（5）强酸化条件下甘蔗田土壤与根系内源代谢物与甘蔗产量、品质性状的相关性分析
在蔗田土壤酸化背景下，根际土壤代谢物及甘蔗根系内源代谢物与甘蔗产量和品质之间存在显著关联。图7A展示了根系内源代谢物与产量及品质性状的相关性结果：对甲氧基苯甲酸乙酯（Ethyl p-anisate）、4-谷胱甘肽基环磷酰胺（4-Glutathionyl cyclophosphamide）、丁酸（Butanoic acid）、S-乳酰谷胱甘肽（S-Lactoylglutathione）、L-苹果酸（L-Malic acid）、腺嘌呤（Adenine）、N,N-二甲基鞘氨醇（N,N-Dimethylsphingosine）和L-(+)-古洛糖（L-(+)-Gulose）与产量呈显著正相关（p<0.05）；二氨基庚二酸（Diaminopimelic acid）与美他沙酮（Metaxalone）呈显著负相关（p<0.05）。单茎重与S-乳酰谷胱甘肽、丁酸、2-羟基十六烷酸（2-hydroxyhexadecanoic acid）、L-苹果酸、5-甲氧基色胺（5-Methoxytryptamine）、腺嘌呤及L-(+)-古洛糖显著正相关（p<0.05），与多巴醌（Dopaquinone）、美他沙酮显著负相关（p<0.05）。
蔗汁糖分与N1-（α-D-核糖基）-5,6-二甲基苯并咪唑（N1-(alpha-D-ribosyl)-5,6-dimethyl-benzimidazole）、辅酶B（Coenzyme B）、13,14-二氢-15-酮前列腺素E2（13,14-Dihydro-15-keto-PGE2）、腺嘌呤、麦芽五糖（Maltopentaose）、dTDP-4-乙酰氨基-4,6-二脱氧-D-半乳糖（dTDP-4-acetamido-4,6-dideoxy-D-galactose）、胞苷单磷酸-N-乙酰神经氨酸（CMP-N-acetylneuraminate）显著正相关（p<0.05），与丙二酸二乙酯（Diethyl malonate）、二氨基庚二酸显著负相关（p<0.05）。
值得注意的是，S-乳酰谷胱甘肽与L-苹果酸同时与产量和单茎重呈显著正相关，暗示其可能为影响甘蔗生长与生产力的关键代谢物。根际土壤代谢物与产量及品质的相关性分析（图7B）表明，槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸苷（Quercetin 3-O-glucuronide）、γ-L-谷氨酰-L-2-氨基丁酸（gamma-L-Glutamyl-L-2-aminobutyrate）、果聚糖（Levan）、麦芽七糖（maltoheptaose）、儿茶素（Catechin）及麦芽六糖（Maltohexaose）与甘蔗产量、单茎重和糖分均呈显著正相关。（p<0.05）。
图7.曼哈顿图展示了表型性状与代谢物之间Pearson相关分析的结果。y轴为p值以10为底的负对数，用于衡量所观察相关性的统计显著性；x轴按代谢物的主要类别进行分类。显著性阈值设定为p=0.05，以识别具有统计意义的相关性。图中上半三角区域突出显示显著的正相关，下半三角区域则表示表型性状与代谢物类别之间的显著负相关。
（6）强酸化对甘蔗田土壤及根系内源代谢物生态位宽度的影响
在研究物种对食物资源的利用时，可将代谢物作为指标计算生态位宽度。代谢物是生物体代谢产物的总称，涵盖了对食物资源的利用与消耗产物；其组成能够反映不同物种对环境资源的利用程度及食物链营养结构。因此，通过分析代谢物组成的差异，可计算不同物种在食物链中的生态位宽度。如图8所示，土壤代谢物的生态位宽度显著低于甘蔗根系内源代谢物（p<0.001）。与健康的甘蔗田相比，酸化田甘蔗根系内源代谢物的生态位宽度显著降低（p<0.05）。
图8.酸化土壤条件下甘蔗根系代谢物的生态位宽度变化。CK：正常甘蔗田；SA：强酸化甘蔗田；Root：根系；Rhizosphere soil：甘蔗根际土壤；Bulk soil：块体土壤。
3.结论
本研究表明，蔗田严重酸化会显著抑制甘蔗农艺性状，造成产量下降；同时降低根际土壤养分的有效性与可利用性，并导致土壤板结（容重升高、孔隙度降低）和宏观团聚体比例减少。代谢组分析进一步发现，酸化使甘蔗根系、根际土和块体土中的纤维四糖（cellotetraose）与果聚糖（levan）含量同步显著下降；葡萄糖酸（gluconic acid）和S-乳酰谷胱甘肽（S-lactoylglutathione）在根系与根际土中显著减少；儿茶素（catechin）和白杨素（chrysin）仅在根系中显著降低。相关分析显示，S-乳酰谷胱甘肽和果聚糖与甘蔗产量等农艺性状呈显著正相关。综上，严重酸化削弱了土壤生态系统功能，进而抑制甘蔗生长发育，最终影响其产量与品质。明确这些机制可为优化甘蔗栽培策略、提高产量和实现可持续生产提供理论依据。