科研 | AEM：农业管理对番茄根际微生物结构和功能的影响
本文小憨豆编译，十九、江舜尧编辑。
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农业管理措施会影响非根际土壤微生物群体及其功能，但是在不同农业生态系统中，农业管理措施是如何对根际微生物产生影响的仍未可知。由于根际过程与植物营养及其生产力之间存在的紧密联系，所以理解农业管理措施对根际这一关键区域的影响，对于通过优化植物与土壤之间的交互作用实现农业可持续发展具有重要的意义。本研究通过对6组成对的传统和有机番茄生产系统进行比较，研究了管理措施以及土壤理化参数与根际微生物群落组成及其功能之间的关系。有机管理田间土壤的总氮和硝酸态-氮、总碳和不稳定碳以及植株钙、硫、铜和其他必需营养元素更高，但是土壤PH在传统管理田间的土壤中更高。根际微生物群落的丰度差异性、指示种类及随机森林分析揭示了有机和传统管理措施之间微生物群落组成的差异性和特异性微生物种类。基于遗传位点的预测结果表明在传统管理系统中这些差异会转变成丰度更高的与病原相关的功能基因。结构方程模型表明土壤微生物群落对植物产量的影响大于土壤理化性质对植物产量的影响。这些结果表明根际特异性的研究具有重要意义，因为植物可能会选择性的与管理措施发生交互作用来调控微生物群落的结构和功能，进而影响农业生产率。
论文ID
原名：Effects of Agricultural Management on Rhizosphere Microbial Structure and Function in Processing Tomato Plants
译名：农业管理对番茄根际微生物结构和功能的影响
期刊：Applied and Environmental Microbiology
IF：4.077
发表时间：2019年6月
通信作者：Amélie C.M. Gaudin
通信作者单位：加州大学戴维斯分校
实验设计
1. 样本采集
土壤采集地：6对常规/有机加工番茄农场
取样部位：块状土壤、根、根际
取样时间：植物移栽后6周
2.扩增子测序和数据分析
试剂盒：MoBio PowerSoil Kit (Qiagen)
扩增区域：16S rRNA基因的V4-V5区域；ITS区域
测序平台：MiSeq
分析：NMDS 分析；指示物种分析；随机森林分析；基于系统发育的功能性状预测；植物与土壤变量的主成分分析；多变量方差分析；结构方程建模。
结果
1. 地点和农业管理驱动土壤和植物变量的变化
地点对块状土壤和植物变量的影响大于农业管理类别，且地点x管理交互作用显著。两个主成分在所有样本中分别解释了41.99%和21.93的变异（图1），样品主要是沿着PC1聚类的，受到植物和土壤养分的影响，其次是各地点的管理模式，PC2主要受植物Cu、Mg、Mn以及土壤Mg和硝态氮的影响（图1）。
图1. 六个番茄田土壤和植物变量的主成分分析
2. 根际微生物群落组成响应农业管理实践
细菌和真菌根际群落的物种组成因地点和管理模式的不同而不同(图2)，当考虑细菌群落的系统发育相关性时，也观察到了这些影响。多因素群分散体均一性检验表明，各地点和管理类型的分散性差异无显著性(P>0.05)。管理类型影响根际微生物群落，但在不同程度上取决于地点 (图2)。农业管理在MR地点细菌群落中所占比例最大(53%)，略高于PF地点，几乎是RR地点的三倍。真菌群落也受到管理类型的影响，其中MR变异占22%，RR变异占38%，PF变异占43%。
图2. 从番茄的根际中取样的微生物群落的NMDS
菌群多样性受地点x管理交互作用的影响(p<0.001)。除MR地点外，有机管理类型的Shannon指数高于常规管理类型。真菌多样性受地点(p<0.001)和管理(p<0.001)的影响，但不受交互作用的影响。真菌多样性在所有地点的有机管理类型较高，在PF地点高于RR或MR。
48个细菌扩增序列变异体(Asv)当α=0.01时，在常规管理植物和有机管理植物的根际之间差异大(图3a)。在有机管理类型的根际中ASV较丰富，其中假单胞菌属2个成员，常规管理类型中根际ASV含量较高，包括黄杆菌属6个成员，Devosia和Lysobacter 3个成员。属于假单胞菌属的ASV在有机管理的农田中相对丰度最高，在常规管理的农田中属于黄杆菌属的ASV相对丰度最高。
19种真菌ASV在p=0.01水平的管理系统之间有丰富的差异，其中只有一种在常规管理类型更丰富(图3b)。在有机管理类型的植物根际，ASV较丰富，包括Holtermanniella 3个成员、Mucor 3个成员和Pyrenochaetopans 2个成员。在常规管理的根瘤菌中，ASV含量较高，被鉴定为Plectosphaerella cucumerina。木霉在有机系统类型中相对于常规系统最丰富。
由于系统管理对多种土壤性状有很强的影响，采用前向选择的冗余分析(RDA)来确定哪些土壤理化性质对根际细菌和真菌群落组成的影响最大。除地点和管理外，Ca是细菌和真菌群落组成的最重要的驱动因素。细菌群落组成也受Mg水平的影响，而真菌受Na和K的影响显著。
图3. 差异丰富的微生物类群
3. 不同系统根际群落指示种的差异
指示菌分析显示57种系统特异性细菌ASV：常规系统类型35种，有机系统类型22种。黄杆菌属、根杆菌属、溶杆属和假单胞菌属在常规系统中的序列最多，在有机系统中最多的假单胞菌属。发现的真菌指示分类群较少，只有4种真菌ASV与常规系统相关，17种与有机系统相关。与常规系统相关的4个ASV来自不同的属，而Holtermanniella和Mucor是该系统中最具代表性的指示属。指示种分析鉴定的78个分类群中，15个差异较大。由于IndVal指数代表了在感兴趣的环境中找到特定物种的概率，因此环境中相对丰度较高的分类群通常在IndVal指数的保真度分量上得分较高。常规系统中的黄杆菌和有机系统中的Pseudomonas、Holtermanniella和Mucor就是这种情况。
随机森林(RF)分析用于识别可用于区分管理系统的ASV。随机森林模型中，Lysobacter和Gibellulopsis ASV影响最大。RF分析结果与差异丰度分析结果有很大的重叠。RF分析中最重要的20个ASV中，有11个也是通过差异丰度分析确定的，尽管对RF模型有重大影响的Gibellulopsis等ASV在不同系统之间的差异不大(图3)。
4. 管理类型引起根际细菌功能的变化
在预测的所以基因中，有机管理植物和常规管理植物的根际之间差异很大，占4.8%。在这些基因中，79个在有机系统中更丰富，90个在常规系统中富集。与细胞过程相对应的功能，包括群体感应、生物膜形成和趋化性在系统间的差异最大，只有两个过氧化物酶体功能在有机系统中被上调，31个在常规系统中被上调(图4)。有机系统中相对丰度最高的基因分布在多种功能中，包括ABC转运蛋白、双组分系统、铁硫磷生物合成、淀粉和蔗糖代谢以及I型聚酮结构。trcR/TRCs两组分调节系统的一个组分trcR被有机系统上调。在传统系统中相对丰度较大的基因往往与氨基酸的生物合成、双组分系统、群体感应、ABC转运蛋白和生物膜形成有关(图4)。
图4. 功能分析
5. 结构方程模型确定植物、土壤和微生物变量之间的关键联系
利用结构方程模型(SEM)测试了块状土壤理化参数、植物营养、根际微生物群落和植物生物量之间的联系(图5a)。细菌和真菌群落各由两个载体(PC1B、PC2B、PC1F、PC2F)代表，它们分别来自于图2所示的主成分分析。植物生物量与植物P呈极强正相关，而P与PC2F载体中真菌的相关性最强(图5b)。对PC2F贡献最大的类群是Vishniaco zyma victoriae和一株Solicoccozyma sp。在差异丰度分析中没有发现这两个物种(图3b)。PC1F载体上的真菌对植物Na有轻微的正向影响，其中包括Alternaria sp.、Cryptococcus aerius和Plectosphaerella Cucumina。PC1B是细菌群落的第一主成分，与地上部C：N呈负相关，对此贡献最大的3个ASV分别是一株Pseudomonas和两株Stenotrophomonas。细菌群落的第二主成分(PC2B)与植物生物量、P、Na和C：N呈较小的正相关，5种对此贡献最大的ASV中有4种被归类为假单胞菌属。
图5. 土壤、植物和微生物变量的结构方程模型
结论
根际细菌和真菌对植物养分吸收和健康尤为重要，农业管理如施肥和耕作影响根际微生物群落，但对这些农业管理是如何影响根际的知之甚少。该研究通过比较有机和常规管理下的农田的土壤理化性质、植物养分和根际微生物群落，研究了农业管理如何影响植物-土壤-微生物的相互作用。该研究结果表明，人类对农田的管理影响与植物根密切相关的微生物，并突出了这些细菌和真菌对作物营养和生产力的重要性。
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