薇甘菊作为全球公认的恶性入侵杂草，在我国南方地区快速扩散，严重威胁着农林生态系统的稳定与安全。尽管此前已有研究从基因组层面揭示了薇甘菊强大的遗传基础，但一个关键问题始终悬而未决：薇甘菊能否主动改造土壤微环境，为自己“创造竞争优势”？
2月23日，发表于《微生物组》（Microbiome）的一项研究成功揭晓答案。“我们研究发现，薇甘菊能够通过‘三招’（调控氮转化、富集促生菌和分泌酚类化感物质）系统性地改变土壤氮循环过程，从而在资源竞争中占据有利地位。”论文共同通讯作者、中山大学教授苏应娟对《中国科学报》表示，该研究从“植物-微生物-土壤互作”的独特视角，为理解薇甘菊的入侵成功提供了全新的生态学机制解释。
由于种植薇甘菊而导致的土壤氮代谢变化模型。研究团队供图，下同
地下策略：重塑根际氮循环格局
论文共同第一作者、中山大学博士生王若楠介绍，氮是植物生长发育不可或缺的关键营养元素。在自然生态系统中，氮的存在形态及其转化效率直接影响着植物间的竞争态势。
在国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目资助下，苏应娟团队联合中山大学教授廖文波团队、华南农业大学教授王艇团队，首次系统揭示了薇甘菊通过“酶活性调控-微生物招募-化感干预”三重机制重塑根际氮循环的入侵新策略。
团队通过温室控制实验，将薇甘菊与其本地近缘种假泽兰以及无植物对照进行对比分析，发现薇甘菊根际土壤呈现出独特的氮素分布格局：土壤全氮含量显著升高，而铵态氮和硝态氮等可直接被植物吸收利用的无机氮含量却显著降低。这一现象表明，薇甘菊并非单纯地“消耗养分”，而是可能通过调控氮的转化路径，将无机氮快速转化为有机氮并储存于土壤中，构建起有利于自身的营养微环境。
进一步的宏基因组分析揭示，薇甘菊根际微生物群落发生了显著的功能重构。一方面，与铵同化相关的关键功能基因显著富集，有力地促进了无机氮向有机氮的转化；另一方面，与硝化过程和硝酸盐利用相关的功能基因则明显减少，这意味着氮素的转化方向被重新“编程”。
尤为关键的是，薇甘菊根际显著富集了一批具有生物固氮能力的促生菌属。这些微生物能够将大气中的氮气转化为植物可利用的氨，为土壤氮库实现“开源”。相比之下，本地近缘种对根际微生物群落的影响则相对有限。
“这充分表明，薇甘菊不仅改变了氮的‘使用方式’，还主动招募有利微生物参与氮的‘生产过程’，通过这种双重策略进一步巩固了自身在氮资源利用上的优势。”苏应娟说。
拍摄于深圳内伶仃岛上的薇甘菊。
地下调控：多维度建立竞争优势
论文共同第一作者、中山大学博士生王桢表示，除微生物调控外，研究还在薇甘菊根际检测到多种特异性积累的代谢物，其中包括表儿茶素等酚类化合物。这些代谢物的含量变化与土壤氮形态的转变呈现出显著的相关性。
已有研究表明，酚类物质能够抑制硝化微生物的活性。结合本研究中硝态氮含量下降以及相关功能基因受到抑制的结果，团队推测，薇甘菊可能通过根系分泌化感物质，选择性地抑制硝化过程，从而减少硝态氮的生成，维持有利于自身的氮素环境。这意味着，薇甘菊在地下不仅“招兵买马”（招募有利微生物），还对关键的氮代谢过程进行精准干预，确保自身在氮资源利用上的主导地位。
综合多组学证据，团队提出了薇甘菊调控根际氮循环的协同机制模型：一是“开源”，通过招募固氮微生物增强生物固氮作用，提高土壤全氮的总体储量，为自身生长提供充足的氮源；二是“转化”，通过强化铵同化相关功能，将无机氮迅速转化为有机氮，减少可被竞争者直接利用的氮源，限制竞争对手的生长；三是“抑制”，通过化感物质介导和功能基因调控，抑制硝化过程和硝酸盐利用途径，维持对自身有利的氮形态比例，进一步优化根际氮环境。
“通过这一多维度的协同调控，薇甘菊将根际环境中的氮资源最大限度地转化为有利于自身生长的形态，从而在种间竞争中建立起稳定的优势地位。”论文共同通讯作者王艇指出，以往研究多从植物基因层面解释入侵机制，而其研究突出了地下微生态互作的关键作用。“植物并非被动适应土壤环境，而是能够主动塑造根际微生态，形成有利的反馈循环。”
据苏应娟介绍，该研究过程并非一帆风顺，团队在处理复杂的土壤代谢组数据时曾遇到过难题。由于土壤环境的高度异质性，初步采用的有监督分析模型出现了“过拟合”倾向，难以准确反映代谢差异。面对这一问题，他们及时调整和充实分析策略，又借助主成分分析来捕捉关键的代谢信号，从而锁定了薇甘菊根际特有的化学指纹。
苏应娟进一步表示，未来可围绕根际氮循环关键节点和功能微生物群落，探索针对性干预策略，如调控特定微生物类群或阻断化感物质作用途径，为薇甘菊生态治理提供理论依据和技术支撑。
相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s40168-026-02334-8
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