該研究通過(guò)田間試驗結合宏基因組、理化分析及結構方程模型，系統解析了?“稻?–?川芎輪作”?模式降低川芎鎘積累、提升活性成分的分子與微生態(tài)機制，為道地中藥材安全優(yōu)質(zhì)種植提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐與理論依據。百邁客生物為該研究提供了宏基因組測序服務(wù)。

研究背景

川芎，作為活血行氣、祛風(fēng)止痛的經(jīng)典中藥材，在中醫臨床及現代中成藥制劑中應用廣泛。然而，隨著(zhù)土壤環(huán)境污染問(wèn)題日益顯著(zhù)，川芎中鎘元素含量超標現象屢見(jiàn)不鮮，不僅嚴重影響藥材質(zhì)量與臨床用藥安全，也制約了川芎產(chǎn)業(yè)的可持續發(fā)展。在植物降鎘領(lǐng)域，現有研究多集中于施用改良劑、篩選低積累品種或利用植物修復等。探尋一種既能有效阻控鎘吸收，又能兼顧藥材產(chǎn)量、品質(zhì)與種植效益的農藝措施，成為產(chǎn)業(yè)與科研共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

對此，國錦琳教授團隊率先將研究視角聚焦于川芎道地產(chǎn)區廣泛沿用的水稻-川芎輪作（Rice-Chuanxiong?rotation,?RC）模式與傳統種植模式的差異，深入探究這一差異化種植方式背后的生態(tài)效應及其應用價(jià)值。

研究結果

該研究采用多學(xué)科整合方法開(kāi)展系統性探究：首先在四川鎘污染農田設置?“稻?–?川芎輪作（RC）”?與?“川芎連作（CC）”?對照試驗，追蹤川芎全生育期生長(cháng)指標；隨后通過(guò)HPLC測定活性成分、ICP-MS分析鎘含量、宏基因組解析根際微生物群落；結合土壤理化性質(zhì)檢測、酶活性分析，最終利用PLS-SEM模型構建?“微生物?–?功能?–?土壤性質(zhì)?–?鎘積累”?調控網(wǎng)絡(luò )。研究發(fā)現：

• 輪作顯著(zhù)提升川芎品質(zhì)與安全性，使川芎根莖鎘含量降低46%（遠低于藥典?1mg/kg?限值），活性成分藁本內酯A含量提升44%，且不影響根莖產(chǎn)量；
• 根際微環(huán)境重塑是關(guān)鍵，輪作顯著(zhù)富Geobacter、Nitrospira等7個(gè)功能屬，增強碳氮代謝等29條通路；
• 土壤理化性質(zhì)介導降鎘，輪作使土壤pH提升6%-16%、有機質(zhì)增加?13%-48%，通過(guò)吸附與絡(luò )合作用抑制鎘吸收；
• 調控機制明確，PLS-SEM模型證實(shí)，輪作通過(guò)招募特定微生物→強化碳氮代謝→提升土壤pH與有機質(zhì)→最終降低鎘積累，該路徑擬合度?0.6957；
• 輪作雖未降低土壤有效態(tài)鎘，但通過(guò)改變微生物功能與土壤性質(zhì)阻斷鎘向植株轉運；
• 根際微生物多樣性在收獲期顯著(zhù)高于連作，且脫氫酶、蔗糖酶等關(guān)鍵酶活性提升?541%-143%，進(jìn)一步佐證土壤健康改善；
• 輪作還降低了連作中富集的致病與促鎘積累微生物（如Ralstonia、Burkholderia），減少土傳病害風(fēng)險。

研究總結

該研究首次揭示了稻芎輪作（RC輪作）模式在降低川芎鎘富集方面的成效與核心機理。此模式不僅能大幅降低川芎的鎘含量，還能在保障川芎總產(chǎn)量的同時(shí)，顯著(zhù)推動(dòng)其有效成分的積累，達成“控鎘、增產(chǎn)、提質(zhì)”的三重目標。研究闡明其核心優(yōu)勢機制：稻芎輪作通過(guò)重構根際微生物群落，富集碳氮代謝相關(guān)的有益功能微生物，進(jìn)而提升土壤pH值與有機質(zhì)含量，觸發(fā)了“根際微生物→微生物功能→土壤性質(zhì)→植物鎘積累”的級聯(lián)調控效應，從源頭阻斷了鎘元素向川芎植株的遷移與富集。

與現有技術(shù)相比，稻芎輪作模式無(wú)需額外投入化學(xué)材料、不產(chǎn)生環(huán)境副作用、易于在產(chǎn)區集成推廣，是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟可行且效益顯著(zhù)的生態(tài)農藝解決方案。該研究成果的發(fā)表，標志著(zhù)在解決中藥材重金屬超標問(wèn)題上取得了重要進(jìn)展，為川芎乃至其他根莖類(lèi)中藥材的綠色、安全、規范化生產(chǎn)提供了堅實(shí)的科學(xué)依據和極具前景的實(shí)踐模式，對保障中藥材質(zhì)量安全、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、保護耕地生態(tài)具有重要現實(shí)意義。

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