科研 | SBB：探究土壤和植物性状对根际微生物群落发展的相对重要性（南京师范大学）
编译：孟令超，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
根际微生物是植物生长和活力的关键，但根际微生物群落的结构会因特定的土壤因素和植物特性而存在差异。在研究中，我们研究了土壤类型和植物种类对根际微生物群落的影响。土壤类型取自稻田或次生林，在每份土壤上分别接种或未接种枯萎病敏感（西瓜和黄瓜）或抗枯萎病（芹菜）作物的种子。根际微生物群落的分析表明，同一作物种植在不同土壤类型上，以及不同作物在同一土壤类型上存在差异。因此，决定根际微生物群落结构的因素有土壤特异性和植物物种特异性。此外，我们发现植物物种对微生物群落结构的影响（解释细菌物种变异的18.1%，真菌物种变异的13.3%）小于土壤类型效应（解释差异：细菌47.1%，真菌29.2%）。土壤NH4þ-N浓度是影响根际微生物群落组成的最重要的土壤特异性因子。每种植物的根际都有核心和独特的微生物，它们的相对丰度和组成各不相同。接种病原菌的植物根际微生物群落与未接种镰刀菌的根际微生物群落相似，但与生物病害控制和植物健康维持相关的微生物属相对丰度有所增加。该研究认为，根际微生物群落结构更多地取决于土壤类型，而不是土壤中种植的植物种类。
论文ID
原名：Deciphering the relative importance of soil and plant traits on the development of rhizosphere microbial communities
译名：探究土壤和植物性状对根际微生物群落发展的相对重要性
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：5.529
发表时间：2020.7
通讯作者：黄新琦
作者单位：南京师范大学地理科学学院
实验设计
结果
1 土壤微生物种群丰富度、活性及α多样性分析
微生物丰度、活性和α多样性在所有情景下均表现出显著差异，微生物活性和Shannon多样性指数受土壤类型、种植方式及其相互作用的显著影响。在所有处理的微生物活性和真菌α多样性方面，西瓜和黄瓜中的细菌丰富度（基于丰度的覆盖度估计器，ACE）以及除芹菜外的所有处理的Shannon指数均呈现相反的趋势，森林土壤的测量值明显高于水稻土（图S1和图1c-e）。此外，与初始土壤相比，水稻土各根际微生物数量和活性均呈上升趋势，而源于森林土壤的各根际土壤细菌数量和微生物活性均呈下降趋势。与相应的初始土壤相比（图1和图S1），水稻和森林土壤中作物根际土壤α多样性的下降趋势相似。
图1不同土壤中微生物种群（a和b）、丰度（基于丰度的覆盖度估计器，ACE）（c和d）以及Shannon指数（e和f）。显示标准偏差（SDs）。根据邓肯检验，不同的小写字母和大写字母分别代表水稻和森林土壤中的显著差异（P<0.05）。根据独立样本t检验，“*”P<0.05，“**”P<0.01和“***”P<0.001”代表了相同作物材料栽培后水稻和森林土壤之间的显著差异。
3 土壤微生物群落结构PCoA图
PCoA分析结果（图2A、b和图S2）表明，种植材料后的水稻土微生物群落与森林土壤微生物群落的聚类与出生土壤发生了明显的分离。此外，不同根际土壤中微生物群落与相应初始土壤相比发生了显著变化，同一土壤类型中不同植物种类的微生物群落也存在显著差异（图S2）。受植物种类的限制，CAP突出了种植相同作物的水稻和森林土壤中微生物群落组成的相似性（图2c、d）。PERMANOVA和VPA分析表明，根际微生物群落受土壤类型和植物种类的显著影响，且土壤类型影响更为重要（图2e、f）。对相同或不同土壤类型，接种病原菌的植物材料对最终微生物群落结构没有显著影响。Mantel试验表明，除水分外，水稻和森林土壤微生物群落的差异与土壤理化性质的差异呈正相关。相反，在各土壤类型中，与微生物群落差异显著相关的理化性质较少。
图2 土壤微生物群落的差异及其影响因素。利用Bray-Curtis距离对土壤细菌（a）和真菌（b）OTU分布进行主坐标分析（PCoA）。主坐标（CAP）的典型分析受植物种类（c和d）的约束。利用方差分配分析（VPAss）计算了土壤类型、植物种类和病原菌接种对土壤细菌（e）和真菌（g）群落组合的贡献，并用PERMANOVA法测定了P值。
此外db-RDA进一步揭示了TON和NH4+-N含量对两种土壤细菌和真菌群落的影响，C/N和NO3--N的含量只对细菌群落有显著影响（图3a、b）。此外，TON和NH4+-N含量变化显著（影响水稻土中的微生物群落（图3C、d和表S6），EC和NH4+-N显著影响森林土壤中的微生物群落（图3E、f和表S6）。此外，微生物βNTI值大多在-2到2，表明微生物群落发展背后的随机过程起着重要作用（图S3）。水稻土真菌群落和森林土壤微生物群落的成对β-NTI与土壤NH4+-N含量的差异显著相关（P<0.01），而森林土壤真菌群落的成对βNTI与土壤EC的差异显著相关（图S3）。
图3 基于距离的冗余分析（db-RDA）研究土壤微生物群落与理化性质的关系。a和b同时含有水稻和森林土壤样本；c和d包含水稻土壤样本；e和f包含森林土壤样本。
4 土壤类型和植物种类对根际微生物组成的影响
LRT结果显示，种植的水稻和森林土壤具有不同的细菌和真菌群落组成，具有特定的OTU组（图4a和b）。同时对水稻和森林土壤中细菌和真菌前30个属进行了鉴定，结果表明，除了Streptomyces，Kaistobacter，Phenylobacterium和Paenibacillus这4个细菌属以及10个真菌属（如 Phoma, Alternaria, Mucor, Trichoderma, Ascobolus,Fusicolla, Monosporascus, Concybe, Thanatephorus和 Gibellulopsis）外，大多数属的相对丰度存在显著差异（图S4）。Venn图显示，芹菜、西瓜和黄瓜的种植显著影响了两种土壤中的土壤细菌和真菌群落组成，特别是通过改变土壤核心和独特的微生物群落（图4c-f）。
图4 土壤类型（水稻和森林土壤）和植物种类（继芹菜、西瓜和黄瓜栽培之后）对微生物组成的影响。森林（红色）和水稻（黑色）土壤的细菌（a）和真菌OTUs的相对丰度（log2倍变化>1.5 |，FDR校正P值<0.05）在火山区被着色。Venn图c和d分别代表了水稻根际土壤中细菌和真菌OTUs的数量。Venn图e和f分别代表森林土壤根际土壤中细菌和真菌OTU的数量。
4.1 核心微生物的组成
来源于水稻和森林土壤的根际核心细菌OTU数量分别为2125和3000个（图4C、e）。对于真菌，水稻和森林土壤根际的核心OTU数量分别为288和681（图4d，f）。在种植各种作物之后，核心细菌和真菌属的相对丰度也发现了显著的变化。例如，在水稻土处理中，属于微生物属的核心OTU，如Agromyces, Bacillus, Methylophaga,Rhodoplanes, Steroidobacter, Monographella, Coprinellus和Plectosphaerella等在芹菜中显著富集，而在西瓜（菌液处理）中Arenimonas, Flavobacterium, Pseudomonas和Haematonectria显著增加，黄瓜（菌液处理）中Chitinophaga, Streptomyces, Lysobacter, Sphingopyxis和 Gibellulopsis显著增加（图5a）。土壤微生物属的核心菌群如 Burkholderia, Cladophialophora,Ilyonectria和Trichoderma等在芹菜中显著增加，而 Aquicella, CandidatusSolibacter, Nitrospira, Paenibacillus和Mortierella在西瓜（菌液处理）中明显富集，黄瓜中的Janthinobacterium、Kaistobacter、Mesorhizobium、rhdanobacter和Acremonium显著增加（图5b）。
4.2 独特微生物群的组成
不同的实验处理，其土壤微生物群具有独特性。，例如在水稻土处理中鉴定出的属于微生物属的独特的OTU，如Aeqorivita、Agrobacterium, Bacillus等仅在芹菜中观察到，在西瓜中发现了Bdellovibrio, Dyadobacter, Pseu-domonas等菌，而Acinetobacter, Chitinophaga, Gemmata等仅在黄瓜中存在（图5c）。同样森林土壤处理中鉴定出的属于微生物属的独特OTU，在芹菜中只观察到Aeromicrobium, Burkholderia,Devosia等，在西瓜中发现CandidatusKoribacter, Cohnella, Planctomyces等菌，而 Caulobacter,Chitinophaga, Chryseobacterium等菌仅存在于黄瓜中（图5d）。此外，种植同一作物的两种不同土壤类型在各自的根际也有少数独特的科。
图5 含核心（a，b）和唯一（c，d）OTUs的属的相对丰度（%）。a和b代表了含核心OTUs属的相对丰度，芹菜、西瓜、黄瓜根际差异显著（P<0.05）。图中列出了根际土壤中相对丰度大于0.05%的属。相对丰度小于0.05%的属被归为“其他”，而OTUs不能被注释到这些属被归为“未分类”。c和d中的圆圈大小代表该属的相对丰度。在c、d分类单元上具有相同颜色的“#”表示该属在不同土壤类型的同一作物根际中富集。
5 病原菌接种对根际微生物群落组成的影响
西瓜和黄瓜根际土壤中一些特定属的相对丰度与接种了尖孢菌悬浮液的西瓜和黄瓜根际的相对丰度有显著差异（P<0.05）（图6）。例如，接种尖孢菌悬浮液的西瓜根际土壤中Cytophaga, Actinotalea, Rubricoccus, Tatlockia等菌属的相对丰度要高于未接种的土壤（图6a和c）。同样，接种尖孢菌悬浮液的黄瓜根际土壤（水稻土）中Rubrivivax和 Truepera以及 Lentzea, Lysobacter, Stenotrophomonas, Luteimonas,Termitomyces, Urocystis（森林土）等菌属相对丰度要高于未接种土壤。
图6 接种和未接种植物根际土壤细菌和真菌属的相对丰度存在显著差异。a和c分别代表西瓜和西瓜在水稻和森林土壤中根际的比较。b和d分别代表黄瓜和黄瓜在水稻和森林土壤中的比较。误差条表示标准偏差（SDs）。P值用t检验计算。
结论
土壤和植物性状对根际微生物群落结构具有不同的决定作用，通过对同一土壤类型不同试验作物根际的比较，观察到植物物种同一性对根际微生物群落的影响。然而，在土壤类型和植物物种特性的综合变化下，还观察到另一种现象，即土壤类型对根际微生物群落的发育起主导作用（细菌的贡献率为47.1%，真菌的贡献率为29.2%），超过了植物物种的特性（细菌的贡献率为18.1%，真菌的贡献率为13.3%）。
本研究结果表明，土壤非生物环境因子与根际微生物群落结构呈显著正相关。然而，在不同的土壤组合中，决定微生物群落的主导环境因子不同，例如NH4+-N含量是所有土壤组合中细菌和真菌群落最一致的因素，铵态氮对土壤微生物群落有显著影响。也就是说不同的土壤非生物环境因子对根际微生物群落结构有明显的影响，在微生物的选择中有明确的作用。
此外，植物物种作为次要的影响因素，对根际微生物群落的发展也有贡献。本研究表明，不同植物种的培养既吸收了不同的独特微生物，也吸收了核心微生物，它们在根际相对丰度上存在显著差异（图5a-d）。这一结果主要归因于植物物种通过释放多种根系分泌物来招募不同微生物的过程。我们还发现，在同一作物种植的不同土壤类型中，也存在少量相同的独特微生物，这可能是由于在不同的土壤非生物条件下，植物产生的根系分泌物吸收了部分相似的微生物。总的来说，破译核心和独特的微生物群对于理解不同植物物种之间的响应微生物组分是很重要的。
最后本研究发现接种病原菌的植物材料的培养对整个根际微生物群落的发展没有显著影响，但一些特定的微生物表现出了增加的丰度（图6 a-d），接种病原菌的植物的培养诱导病害抑制因子的增加。对此，我们在病原菌侵染期间，可以诱导植物改变根系分泌物的一部分，从而招募有益的微生物来减少病害的发生，维护植物的健康。
评论
根际微生物的种类对于植物的生长发育具有关键性作用，但是其群落结构往往因土壤因素与植物特性存在较大的差异，但具体因素还未完全探究清楚。本文通过研究了土壤类型和植物种类对根际微生物群落的影响，分析结果表明，同一作物种植在不同土壤类型上，以及不同作物在同一土壤类型上存在差异。也就是说，决定根际微生物群落结构的因素有土壤特异性和植物物种特异性。且进一步研究发现植物物种对微生物群落结构的影响小于土壤类型效应，土壤NH4+-N浓度是影响根际微生物群落组成的最重要的土壤特异性因子。以及每种植物的根际都有核心和独特的微生物，它们的相对丰度和组成各不相同。接种病原菌的植物根际微生物群落与未接种病原菌的根际微生物群落相似，但与生物病害控制和植物健康维持相关的微生物属相对丰度有所增加。对于更好的利用根际微生物促进植物的生长发育提供了研究思路。
你可能还喜欢