2025年12月，成都中医药大学国锦琳教授团队在《Journal of Cleaner Production》（中科院一区，Top期刊）上发表研究论文，题为“Influence of planting patterns on Ligusticum sinense cv. Chuanxiong development and its rhizosphere microenvironment”。
该研究通过田间试验结合宏基因组、理化分析及结构方程模型，系统解析了 “稻 – 川芎轮作” 模式降低川芎镉积累、提升活性成分的分子与微生态机制，为道地中药材安全优质种植提供了关键技术支撑与理论依据。百迈客生物为该研究提供了宏基因组测序服务。
研究背景
川芎，作为活血行气、祛风止痛的经典中药材，在中医临床及现代中成药制剂中应用广泛。然而，随着土壤环境污染问题日益显著，川芎中镉元素含量超标现象屡见不鲜，不仅严重影响药材质量与临床用药安全，也制约了川芎产业的可持续发展。在植物降镉领域，现有研究多集中于施用改良剂、筛选低积累品种或利用植物修复等。探寻一种既能有效阻控镉吸收，又能兼顾药材产量、品质与种植效益的农艺措施，成为产业与科研共同关注的焦点。
对此，国锦琳教授团队率先将研究视角聚焦于川芎道地产区广泛沿用的水稻-川芎轮作（Rice-Chuanxiong rotation, RC）模式与传统种植模式的差异，深入探究这一差异化种植方式背后的生态效应及其应用价值。
研究结果
该研究采用多学科整合方法开展系统性探究：首先在四川镉污染农田设置 “稻 – 川芎轮作（RC）” 与 “川芎连作（CC）” 对照试验，追踪川芎全生育期生长指标；随后通过HPLC测定活性成分、ICP-MS分析镉含量、宏基因组解析根际微生物群落；结合土壤理化性质检测、酶活性分析，最终利用PLS-SEM模型构建 “微生物 – 功能 – 土壤性质 – 镉积累” 调控网络。研究发现：
- 轮作显著提升川芎品质与安全性，使川芎根茎镉含量降低46%（远低于药典 1mg/kg 限值），活性成分藁本内酯A含量提升44%，且不影响根茎产量；
- 根际微环境重塑是关键，轮作显著富Geobacter、Nitrospira等7个功能属，增强碳氮代谢等29条通路；
- 土壤理化性质介导降镉，轮作使土壤pH提升6%-16%、有机质增加 13%-48%，通过吸附与络合作用抑制镉吸收；
- 调控机制明确，PLS-SEM模型证实，轮作通过招募特定微生物→强化碳氮代谢→提升土壤pH与有机质→最终降低镉积累，该路径拟合度 0.6957；
- 轮作虽未降低土壤有效态镉，但通过改变微生物功能与土壤性质阻断镉向植株转运；
- 根际微生物多样性在收获期显著高于连作，且脱氢酶、蔗糖酶等关键酶活性提升 541%-143%，进一步佐证土壤健康改善；
- 轮作还降低了连作中富集的致病与促镉积累微生物（如Ralstonia、Burkholderia），减少土传病害风险。
研究总结
该研究首次揭示了稻芎轮作（RC轮作）模式在降低川芎镉富集方面的成效与核心机理。此模式不仅能大幅降低川芎的镉含量，还能在保障川芎总产量的同时，显著推动其有效成分的积累，达成“控镉、增产、提质”的三重目标。研究阐明其核心优势机制：稻芎轮作通过重构根际微生物群落，富集碳氮代谢相关的有益功能微生物，进而提升土壤pH值与有机质含量，触发了“根际微生物→微生物功能→土壤性质→植物镉积累”的级联调控效应，从源头阻断了镉元素向川芎植株的迁移与富集。
与现有技术相比，稻芎轮作模式无需额外投入化学材料、不产生环境副作用、易于在产区集成推广，是一种环境友好、经济可行且效益显著的生态农艺解决方案。该研究成果的发表，标志着在解决中药材重金属超标问题上取得了重要进展，为川芎乃至其他根茎类中药材的绿色、安全、规范化生产提供了坚实的科学依据和极具前景的实践模式，对保障中药材质量安全、促进产业健康发展、保护耕地生态具有重要现实意义。
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