烟草与水稻的轮作促使土壤微生物群落建立起一种“尼古丁-钼（Mo）-氮”耦合的代谢网络

李轩|庄帆|吴少龙|黄晓辉|肖彦松|周向平|滕凯|陈一强|何伟|邓正宇|黄琦|王灿|刘正华|尹华群|邹俊良|孟德龙|刘天博|罗坤

湖南农业大学植物保护学院，长沙，410128，中国

摘要

长期连续种植水稻会耗尽土壤养分并破坏微生物的氮循环，而烟草-水稻轮作（TRR）是一种恢复土壤功能的潜在策略。本研究揭示了TRR通过细菌和古菌的协同代谢将植物次生代谢物尼古丁整合到氮循环中，形成了一个“尼古丁-钼（Mo）-氮”耦合的代谢网络。尼古丁通过涉及细菌（如Ramlibacter、Streptomyces）和古菌（如Nitrososphaera、Methanopereden）的跨领域合作被降解为氨和其他含氮中间体。这一过程得到了TRR土壤中关键氮循环基因显著上调的支持，包括nifK（固氮）、nasA（硝酸盐还原）和ndhABC（尼古丁降解）基因。TRR土壤中的可利用钼含量显著降低（0.27 ± 0.02 mg/kg，而连续种植水稻为0.35 ± 0.03 mg/kg，p < 0.05），表明钼离子是这一过程中的关键因素。然而，长期TRR可能会耗尽土壤中的钼储备，从而可能限制氮的可用性，这突显了补充钼的必要性。本研究提出了一个“尼古丁-钼-氮”理论模型，完善了对土壤氮循环的传统理解，并为可持续农业中的微生物驱动的土壤健康管理提供了理论基础和实践见解。

引言

连续单一种植会耗尽土壤肥力，降低氮利用效率，并破坏微生物群落，导致长期土壤退化。为了弥补土壤质量的下降，现代农业实践严重依赖氮肥的施用。然而，过量的氮输入往往无法显著提高作物产量，反而会导致土壤酸化、温室气体排放增加和微生物群落不稳定。这些挑战凸显了迫切需要优化养分循环和维持土壤健康的可持续农业策略。在这些策略中，作物轮作已成为提高土壤肥力、调节微生物群落和增强氮转化的关键方法（Borase等人，2020；Jin等人，2024）。然而，作物轮作如何塑造微生物群落和影响氮循环的机制基础仍知之甚少。

烟草-水稻轮作（TRR）系统提供了一个独特的模型来研究这些过程，因为它交替了旱地和稻田条件，显著重构了土壤微生物群落并增强了氮转化动态（Y等人，2017；Ma等人，2024；Li等人，2025）。TRR的一个特别有趣的方面是尼古丁的作用，尼古丁是烟草根部分泌的主要生物碱。传统上，尼古丁被认为是一种化感化合物，其富集会导致土壤和水资源的污染，高水平的尼古丁会对昆虫、作物甚至人类产生有害影响（Seckar等人，2008；Oropesa等人，2017）。然而，新的证据表明，尼古丁可以作为微生物的底物和潜在的氮源，从而影响土壤氮的富集。尼古丁的微生物降解主要通过吡啶途径进行，该途径依赖于含钼的酶，如黄嘌呤氧化酶和硝酸盐还原酶（Zhang等人，2022；Wang等人，2019；Fitzpatrick，2018；Kovács等人，2015）。此外，一些真菌能够通过脱甲基途径将尼古丁转化为烟酸（He等人，2019）。这些微生物在将尼古丁衍生物转化为生物可利用的氮方面起着关键作用，表明TRR可能建立了一种由次生代谢物、微量元素和微生物群落相互作用驱动的独特氮循环途径（Piotrowska-Cyplik等人，2009）。

尽管在理解尼古丁降解方面取得了进展，但现有研究主要集中在单个微生物在这一过程中的作用上。对于微生物群落内部可能驱动尼古丁降解的协同代谢相互作用关注较少。此外，虽然古菌已被认为是氮转化的关键参与者，但它们在TRR系统中对尼古丁降解和氮循环的作用很大程度上被忽视了。特别是，与正常连续种植水稻相比，尼古丁输入会在TRR土壤中引起哪些具体变化？尼古丁输入是否会选择性地富集功能性微生物群落并促进稳定的代谢合作网络的形成？细菌和古菌如何通过电子转移和代谢物交换来协调尼古丁降解以维持氮循环？是否存在影响这种氮转化机制的限制因素，如土壤性质或微生物相互作用？解决这些知识空白对于揭示TRR系统中氮循环的微生物机制至关重要。

为了解决这些科学问题，本研究采用TRR作为模型系统，并结合宏基因组学、代谢组学和微生物网络分析，系统地阐明了尼古丁降解与土壤氮循环之间的耦合机制。我们假设在TRR下输入尼古丁会选择性地富集代谢多样的微生物，这些微生物在细菌和古菌之间相互作用以降解尼古丁并驱动土壤中的钼依赖性氮循环。通过揭示“尼古丁-钼-氮”三重相互作用，这项研究推进了对农业微生物生态学的理论见解，同时为优化作物轮作策略、提高氮利用效率和促进微生物组驱动的可持续农业提供了科学基础。

章节片段

实验地点和样本采集

本研究在中国湖南省郴州市进行，该地区具有亚热带季风气候。我们选择了三个典型的烟草-水稻轮作（TRR）田地（以下简称YD）和三个连续种植水稻的田地（以下简称DD）。采样地点的土壤具有超过五年的连续烟草-水稻轮作历史。在TRR田地的烟草种植阶段，种植的品种是Nicotiana tabacum L. cv. Yunyan 87。

烟草-水稻轮作与连续种植水稻系统之间的土壤代谢差异

我们测量了烟草-水稻轮作（YD）和双季种植水稻（DD）土壤中的19个物理化学因素（表1）。仅发现两组之间可利用钼（Mo）离子含量存在显著差异（t-检验，p < 0.05），YD土壤中的可利用Mo水平低于DD土壤。这表明YD土壤中的微生物更有效地利用了Mo，可能将其转化为含钼的有机分子，从而减少了自由Mo离子的可用性。

代谢物

尼古丁代谢与氮循环的功能耦合：从植物次生代谢物到微生物氮泵送

在这项研究中，我们证明了微生物尼古丁降解和氮转化途径在烟草-水稻轮作系统中形成了一个以前未被认识到的功能耦合网络。传统上，尼古丁主要被视为一种植物防御化合物（Beutel等人，2021）；然而，我们的发现表明，它在轮作土壤中也作为微生物驱动的氮缓释载体发挥作用。这扩展了次生代谢物的功能范围。

结论

本研究揭示了烟草-水稻轮作驱动土壤微生物群落建立了“尼古丁-钼（Mo）-氮”三部分耦合的代谢网络，补充了传统的氮循环途径。尼古丁作为一种潜在的氮库，通过微生物共代谢网络被激活，从而贡献于土壤氮循环，而Mo是整个过程的必要限制因素。

具体来说，模块化的微生物分工——例如

CRediT作者贡献声明

李轩：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。庄帆：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。吴少龙：撰写——审稿与编辑，可视化，监督，资源提供，调查。黄晓辉：撰写——审稿与编辑，可视化，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国烟草总公司（110202201027）的关键项目（LS-11）和湖南烟草公司永州分公司的科学技术项目（YZ2024KJ03）的支持。