科研 | Front Microbiol：种内和种间植物密度对根际细菌群落的影响
编译：YQ，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
植物根系被复杂的微生物群落定殖，包括根系土壤和植物内生群落。根际微生物则主要来自土壤，土壤类型和植物基因型影响根际微生物组成的重要因素。根际微生物包括有益微生物和病原微生物，其中真菌和卵菌是重要的土传微生物。有益微生物可以增加营养利用率，植物依赖微生物消化土壤中的氮、磷、硫，比如固氮细菌对大豆获得铵营养十分重要。
目前根际微生物研究以单株植物为主，但植物间的互作，比如通过根分泌物对周围植物的存在作出响应，可能影响根系微生物组成。研究表明植物间存在种间竞争时，其土壤微生物群落与优势品种单一栽培的土壤群落相似。但是，植物种间或种内竞争时，种植密度对土壤微生物的影响未有研究。
本研究分析五种植物共同种植时的根系微生物群落，包括意大利黑麦草、白车轴草、摩尔达维亚香青兰、矢车菊、车前草。研究目的为探究种植密度对单一栽培植株根系细菌群落的影响；单一栽培和混合栽培下的根系细菌群落组成；阐明增加种植密度时，种内/种间竞争对根系细菌群落的影响。
论文ID
原名：Effects of Intra- and Interspecific Plant Density on Rhizosphere Bacterial Communities
译名：种内和种间植物密度对根际细菌群落的影响
期刊：Frontiers in Microbiology
IF：4.235
发表时间：2020.05
通信作者：Andrea Cavalieri
通信作者单位：丹麦哥本哈根大学植物与环境科学系
实验设计
结果
1、植物生物量与相对竞争强度
单一栽培的条件下，高植株密度的地上生物量高于低植株密度的生物量（图1A）。矢车菊、白车轴草、摩尔达维亚香青兰的生物量随种植密度的增加而增加，其中白车轴草增加量最多。意大利黑麦草和车前草的生物量在中高密度时趋于平缓。在混合栽培的条件下，矢车菊和意大利黑麦草的生物量随种植密度增加而增加（图1B）。
单一栽培和混合栽培的生物量可估算植株相对竞争强度（RCI）。结果表明矢车菊和车前草的RCI为负值，表明种内竞争强度高于种间种间竞争（图1C）。意大利黑麦草的RCI为正值，表明种间竞争效应更强。对于白车轴草和摩尔达维亚香青兰，在从低到高密度时RCI从负值变为正值，说明随植物密度增加，种间竞争强队越大。因此，矢车菊是竞争优势物种，白车轴草是竞争弱势物种。
图1 五种植物在三种种植密度下的地上生物量。A：单一栽培条件；B：混合栽培条件；C：相对竞争强度。黑色（低密度）、白色（中等密度）、灰色（高密度）。
2、植株种类和种植密度对根际细菌群落的影响
本研究对根际样品进行16S rRNAV3-V4区域测序。在单一栽培条件下，非度量多维标度（NMDS）排序表明白车轴草和意大利黑麦草的根际细菌群落差别较大，而矢车菊、摩尔达维亚香青兰、车前草的细菌群落大量重叠（图2A）。随植物密度增加，细菌群落结构也发生一定变化，其中白车轴草最明显。多元方差分析表明不同植株间的细菌群落有接近一半的差异，而混合栽培下植物密度的影响不显著。混合栽培条件下，植株间的细菌群落均有明显差异，其中车前草种内的群落也有明显差异（图2B）。多元方差分析表明植物种类和种植密度对群落都有显著影响，但交互作用不显著。根际细菌群落主要为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）。
图2 三种种植密度下五种植物单一栽培（A）和混合栽培（B）的根际细菌群落16S rRNA扩增子序列的非度量多维标度（NMDS）排序。
3、单一栽培和混合栽培下的根际细菌群落结构
由于矢车菊是竞争优势物种而白车轴草是竞争弱势物种，因此比较其根际细菌群落。结果表明种植密度对矢车菊的群落物种多样性（Chao1和Shannon指数）影响不大（图3A），且矢车菊的Shannon指数显著高于白车轴草。高密度种植的白车轴草群落物种多样性（Chao1）显著低于中低植株密度（图3A）。矢车菊的根际细菌群落中，链霉菌属（Streptomyces）相对丰度随密度增加而增加，属于优势菌种，芽孢杆菌属（Bacillus）和类芽孢杆菌属（Paenibacillus）的相对丰度也随密度增加而增加，而气微菌属（Aeromicrobium）、戴沃斯菌属（Devosia）、甲基娇养杆菌属（Methylotenera）、生丝微菌属（Hyphomicrobium）、黄杆菌属（Flavobacterium）丰度下降。白车轴草的根际细菌群落中，根瘤菌属（Rhizobium）占群落丰度50%以上，且最密度增加而增加，而伯克氏菌科（Burkholderiaceae）、绿弯菌门（Chloroflexi）丰度下降。
在混合栽培条件下，矢车菊和白车轴草的根系群落物种多样性（Chao1和Shannon指数）随植物密度增加而变化（图3B）。而双因素方差分析表明植物间的Chao1和Shannon指数没有显著差异。对于竞争优势物种矢车菊，甲基娇养杆菌属（Methylotenera）、链霉菌属（Streptomyces）是混合栽培时的优势菌种，而它们随种植密度的变化趋势不一致，且芽孢杆菌属（Bacillus）丰度随密度增加而增加，而戴沃斯菌属（Devosia）、黄杆菌属（Flavobacterium）丰度下降。对于竞争弱势物种白车轴草，根瘤菌属（Rhizobium）是混合栽培时的优势菌种，随种植密度增加相对丰度从47%降到29%，而链霉菌属（Streptomyces）相对丰度下降3倍以上，随植物密度增加的细菌包括芽孢杆菌属（Bacillus）和类芽孢杆菌属（Paenibacillus）。混合栽培与单一栽培对比，在高植物密度时根瘤菌属（Rhizobium）相对丰度低2倍，相反链霉菌属（Streptomyces）、芽孢杆菌属（Bacillus）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus）相对丰度高2倍，其中矢车菊的芽孢杆菌属（Bacillus）和甲基娇养杆菌属（Methylotenera）相对丰度高2倍和8倍。
图3 单一栽培（A）和混合栽培（B）下矢车菊和白车轴草的根际细菌群落Chao1丰度和α多样性（Shannon指数）。
4、根际细菌群落动态
在种植密度和群落多样性方面，矢车菊的根际细菌群落比白车轴草的结构更稳定。本研究将这两种植物的细菌群落的ASV分为三组，分别表示植物的核心微生物类群、共有微生物类群和特有的微生物类群。在矢车菊的根际细菌群落中，不同种植密度和混合栽培下的核心群、共有群、特有群的相对丰度是相似的（图4）。而白车轴草的核心群和特有群的比例在单一栽培时随密度增加而增加（图5），在混合栽培时核心群的比例随密度增加而下降，主要是根瘤菌属（Rhizobium）的减少。在混合栽培时，增加种植密度使共有群和特有群的比例增加，白车轴草的特有群比例增加最大（从17.8%到30.6%），增长的菌种主要属于芽孢杆菌属（Bacillus）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus）、新鞘脂菌属（Novosphingobium）（图6）。
混合栽培下随种植密度增加，白车轴草的根系群落中根瘤菌的相对丰度下降，本研究对nifH基因进行定量分析，以确定根系群落的固氮能力。在单一栽培下，白车轴草的nifH基因相对丰度（nifH拷贝数/16S rRNA拷贝数）在0.08-0.24（图7），在不同植物密度下差异不显著。混合栽培下，低密度和中等密度的nifH相对丰度分别为0.21和0.12，在高密度下显著增高到0.80。对于车前草，其nifH相对丰度低于白车轴草，且种植密度对其相对丰度没有显著影响。
图4 低密度和高密度下，单一栽培和混合栽培的车前草的根际细菌群落的核心群、共有群、特有群比例。不同颜色代表不同细菌门，矩形大小代表相对丰度。
图5 低密度和高密度下，单一栽培和混合栽培的白车轴草的根际细菌群落的核心群、共有群、特有群比例。不同颜色代表不同细菌门，矩形大小代表相对丰度。
图6 根际细菌群落中20个丰度最高的属，及其在不同植物密度和单一/混合在栽培下的相对丰度（%）。
图7 车前草和白车轴草的根际细菌群落的nifH基因相对丰度。
讨论
1、植物相对竞争强度
本试验中，矢车菊是竞争优势物种，混合栽培对其生物量的影响最小，而白车轴草是弱势物种。由于植物种植数量较多，难以采集和测量植物地下生物量，因此以地上生物量进行分析，先前研究表明误差不大。虽然有些植物会因为竞争关系影响地下生物量，但总生物量的影响主要源于地上生物量。
2、种内竞争对根际细菌群落的影响
研究表明土壤微生物在种内竞争中发挥作用，比如自然土壤相对于无菌土壤，可以减小三叶草种内竞争效应，然而土壤微生物增加了车前草的种内竞争。矢车菊作为竞争优势物种，其根际细菌群落和生物量受种内竞争影响大于种间竞争，不过随种植密度的增加，矢车菊保持着稳定的根际细菌群落。植物密度对根际细菌群落的影响主要包括链霉菌属（Streptomyces）、芽孢杆菌属（Bacillus）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus），这些菌种可促进植物生长。因此，植物在种内竞争的过程中吸收了互惠型细菌。
植物在胁迫下会改变分泌物的组成，虽然本研究没有对根分泌物进行分析，但随植物密度增加，矢车菊的甲基娇养杆菌属（Methylotenera）、生丝微菌属（Hyphomicrobium）、黄杆菌属（Flavobacterium）的丰度降低，暗示根分泌物成分的变化，因为这些细菌大多属于甲基营养菌，有降解甲醇和其碳化合物的功能。植物细胞生长过程中果胶二甲基酯化形成甲醇，因此推测减少植物细胞生长可能导致较少的甲醇释放，使得甲基营养菌减少。如先前研究表明黄斑藻种内竞争时会产生高水平防御相关代谢物，但与种间竞争相比，初级生长相关代谢物的水平较低。
在单一栽培条件下，白车轴草的根际群落丰度和多样性随密度增加而下降，其群落中增加了核心群（主要为根瘤菌）和特有群的比例，而共有群的比例下降。这表明种内竞争使得植物维持高度专化的群落。大多数豆科植物与根瘤菌建立共生关系，虽然根瘤菌的相对丰度随植物密度的增加而增加，但固氮相关基因nifH的相对丰度并没有增加，推测根际中含大量非固氮根瘤菌，因为研究表明没有固氮功能的原生根瘤菌可能比固氮根瘤菌更具竞争力。因此本研究认为在白车轴草根际，固氮根瘤菌和非固氮根瘤菌的竞争会受到影响。
3、种间竞争对根际细菌群落的影响
在混合栽培下，植物密度的增加矢车菊表现较高的群落稳定性。研究表明植物混合栽培时土壤的微生物群落倾向于优势植株的土壤群落结构，但本研究为观察到类似现象，相反混合栽培时白车轴草的特有群比例增加，这可能与根际部位微生物受植物寄主影响更大有关。
与矢车菊相比，白车轴草的细菌群落受种植密度影响大，根瘤菌及核心群相对丰度明显下降，而固氮能力却有所升高，nifH基因相对丰度增高，表明白车轴草吸引了其他固氮菌，比如芽孢杆菌属（Bacillus）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus），这些固氮类群的补充可以解释植物对氮的需要，尽管它们固氮效率不如根瘤菌。此外，吸引的细菌还有链霉菌等，可促进植物生长，包括磷的溶解、植物激素产生、病原体拮抗等。因此，种间竞争中的吸引菌种对植物具有益功能。
你可能还喜欢