文獻(xiàn)解讀

原名：Reduced chemodiversity suppresses rhizosphere microbiome functioning in the mono-cropped agroecosystems

譯名：單一作物種植系統(tǒng)中根際沉積物化學(xué)多樣性降低抑制根際微生物功能

期刊：Microbiome

IF：16.837

發(fā)表時間：2022.7

第一作者：Pengfa Li

摘要

背景：植物根際沉積能夠調(diào)節(jié)根際相互作用、過程、養(yǎng)分和能量流動以及植物-微生物的交流，因此在保持土壤和植物健康方面具有至關(guān)重要的作用。然而，地下碳分配和根際沉積物化學(xué)多樣性的變化是否以及如何影響根際生態(tài)系統(tǒng)中微生物群的功能尚不清楚。

方法：為了填補(bǔ)這一研究空白，我們研究了花生（Arachishypogaea）連作期間根際碳分配及其化學(xué)多樣性與微生物多樣性和功能之間的關(guān)系。在用¹³CO₂連續(xù)標(biāo)記植物后，我們利用基于DNA穩(wěn)定同位素探針（DNA-SIP）的代謝組學(xué)、擴(kuò)增子和宏基因組測序方法，研究了根際沉積物的化學(xué)組成和多樣性以及活性根際微生物群的組成和多樣性。

結(jié)果：根際沉積物和相關(guān)活性微生物類群在不同生長階段和單一種植持續(xù)時間之間具有顯著差異。具體而言，持續(xù)單一種植后，根際碳分配、根際沉積物化學(xué)多樣性、微生物多樣性和植物有益類群的豐度

（如Gemmatimonas,Streptomyces, Ramlibacter,和Lysobacter）以及功能基因途徑（如群體感應(yīng)和抗生素的生物合成）逐漸降低。根際沉積物與根際微生物多樣性和功能之間存在顯著且強(qiáng)烈的相關(guān)性，盡管它們受不同的生態(tài)過程調(diào)節(jié)。總體而言，花生連作期間沉根際沉積和化學(xué)多樣性的減少傾向于抑制根際生態(tài)系統(tǒng)中的微生物多樣性及其功能。

結(jié)論：我們的研究結(jié)果首次提供了單一作物種植系統(tǒng)中根際微生物組功能失調(diào)機(jī)制的基本證據(jù)。為從根際沉積物的化學(xué)組成和多樣性的角度深入理解復(fù)雜的植物-微生物相互作用提供了新視角。

研究背景

根際是植物根系和土壤之間的界面，該區(qū)域的眾多微生物之間相互作用決定了生物地球化學(xué)循環(huán)、植物生長以及對生物和非生物脅迫的耐受性。植物通過根系向根際輸入大量的光合固定碳（C），這些有機(jī)化合物統(tǒng)稱為根際沉積物。根際沉積物在根際區(qū)域具有多重功能，然而由于根際過程的動態(tài)變化性，導(dǎo)致很難追蹤根際生態(tài)過程并深入了解根際過程的生態(tài)系統(tǒng)功能。因此需要對植物根際沉積物及其化學(xué)組分、化學(xué)多樣性和根際微生物進(jìn)行進(jìn)一步研究，以從機(jī)制上理解它們在根際生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)生理功能。

根際沉積主要受土壤和植物因素的影響，如土壤性質(zhì)、植物物種、生長狀態(tài)、生長階段和其他環(huán)境相互作用。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，植物地下碳分配受到種植制度的影響，如單作和間作，并最終隨著持續(xù)時間的增加影響土壤性質(zhì)和植物生長。根據(jù)植物資源優(yōu)化假說，在長期單一種植條件下，土壤養(yǎng)分含量的變化（如氮的積累）可能會抑制植物對地下碳的分配。此外，長期單一種植通常會抑制植物生長，也可能會對地下碳分配產(chǎn)生負(fù)面影響。考慮到農(nóng)業(yè)實踐對土壤性質(zhì)和植物生長的影響，我們預(yù)計連續(xù)單一種植可能會影響地下碳分配以及根際沉積物的化學(xué)組成和化學(xué)多樣性。

根際沉積物的數(shù)量和化學(xué)組成能夠招募不同的根際微生物群落。如果連續(xù)單季種植會影響根際沉積物，我們推測根際沉積物的變化進(jìn)而能夠影響根際微生物群，尤其是依賴于根際沉積物營養(yǎng)和能量需求的活性微生物類群，包括其多樣性、組成和群落組裝機(jī)制（決定性-隨機(jī)性過程）。然而，這一觀點從未在以往的研究中進(jìn)行過驗證。因此，根際沉積物化學(xué)多樣性的變化是否以及如何影響根際微生物的功能需要良好的復(fù)制和時間序列研究。同時，連續(xù)單季種植系統(tǒng)為闡明根際沉積物化學(xué)多樣性在根際微生物群功能中的作用提供了理想的實驗平臺。

考慮到在連續(xù)單一種植條件下，根際沉積物的化學(xué)多樣性預(yù)計會減少，根際微生物功能也會降低或受到抑制。因此，我們假設(shè)連續(xù)單一種植將減少根際沉積物的化學(xué)多樣性，從而抑制偏好利用根際沉積物的微生物群落的生物多樣性和功能。

我們通過在花生（Arachishypogaea）連續(xù)單一栽培系統(tǒng)中進(jìn)行溫室試驗來驗證我們的假設(shè)（圖1）。具體而言，研究了花生連續(xù)單一栽培如何影響（i）地下碳分配以及根際沉積物的化學(xué)組成和多樣性；（ii）偏好利用根際沉積物的微生物群落的生物多樣性、組成和組裝過程；以及（iii）根際活性微生物的功能潛力。

圖1關(guān)鍵實驗設(shè)置流程圖。P1、P5和P10表示單一種植的年限。W6和W10表示種植時間6周和10周。

主要結(jié)果

1.植物生物量和光合碳分配格局

P1處理（連續(xù)單作1年）的植物生物量在任何生長階段都高于P5和P10處理（連續(xù)單作5年和10年；圖2A）。隨著單作年限增加，植物生物量顯著下降（圖2A）。光合碳分配在不同生長階段（W）和不同處理（P）之間具有顯著差異。在W6階段，P1、P5和P10處理的植株分別將76%、56%和43%的光合碳分配到土壤中（圖2B）。在W10階段，P1、P5和P10處理的植株分別將10%、14%和15%的光合碳分配到土壤中（圖2B）。植物生物量，尤其是地下生物量與地下碳分配呈顯著正相關(guān)。

圖2植物生物量（A）和光合碳分配格局（B）

2.根際沉積物的組成和化學(xué)多樣性

木質(zhì)素、脂類、蛋白質(zhì)和氨基糖的相對豐度在所有樣品中占優(yōu)勢。W10中的脂質(zhì)明顯少于W6，而縮合芳烴則呈現(xiàn)相反的趨勢（圖3A）。W6階段，P1處理中的縮合芳香烴、單寧和碳水化合物顯著較高，但P5和P10處理中的不飽和烴較高。

無論是在植物生長階段還是在不同單一種植年限之間，根際沉積物的組成都存在顯著差異（圖3B）。

W10的化學(xué)多樣性始終高于W6；在兩個生長階段，隨著單季種植年限的增加，均呈顯著下降趨勢（圖3C）。此外，我們發(fā)現(xiàn)根際沉積物的化學(xué)多樣性與植物生物量之間顯著正相關(guān)（圖3D）。

圖3根際沉積物的化學(xué)組成和多樣性

3.活性細(xì)菌的組成和生物多樣性

在屬的水平上，Trinickia,Gaiella, Dyella, Conexibacter, Burkholderia, Chujaibacter,Noviherbaspirillum, Roseisolibacter, Rhodococcus, andKtedonobacter是偏好利用根際沉積物的前10個平均相對豐度最高的類別（圖4A）。

無論是在生長階段還是在單一種植年限之間，活性細(xì)菌組成都存在顯著差異，且單一種植年限（F2.18=8.014，P<0.001）比生長階段對活性細(xì)菌組成的影響更大（圖4B）

在兩個生長階段，P1中活性細(xì)菌的α-多樣性（包括香農(nóng)-維納指數(shù)和物種豐富度指數(shù)）始終高于P5，這表明更多的細(xì)菌種類參與了P1中根際沉積物的利用（圖4C）。此外，在W6，活性細(xì)菌的物種豐富度與地下C分配顯著正相關(guān)（r=0.798，P=0.018），但在W10，這種相關(guān)性較弱（r=1.305，P=1.463，圖5）。

總共有83個屬在P1和P5中顯著差異富集（圖4D）。其中，71個種在P1中顯著富集，而12種在P5中顯著富集（圖4D）。許多植物有益微生物在P1中富集，如Gemmatimonas,Streptomyces, Ramlibacter,和Lysobacter，而在P5中富集的微生物如Trinickia，則具有潛在的植物致病性，這表明植物有害微生物的富集是以犧牲有益微生物為代價的。

圖5利用根際沉積物的活性細(xì)菌組成和生物多樣性。

（A）前20個活性細(xì)菌屬的歸一化相對豐度。（B）活性細(xì)菌群落的PCoA分析。（C）活性細(xì)菌的α多樣性。（D）雙尾Wilcoxon檢驗顯示P1和P5處理中存在豐富的差異細(xì)菌。P1和P5分別代表花生連續(xù)單作1年和5年；W6和W10分別代表播種后6周和10周采集的樣本

圖5活性細(xì)菌生物多樣性與植物地下碳分配的關(guān)系

4.根際沉積物與活性細(xì)菌的聯(lián)系

根際沉積物的化學(xué)多樣性與活性細(xì)菌的生物多樣性之間存在顯著正相關(guān)（圖6）。

圖6活性細(xì)菌生物多樣性與植物地下碳分配的關(guān)系

5.活性細(xì)菌的功能潛力

宏基因組功能分析共產(chǎn)生7806個KO功能類別。PCoA和PERMANOVA表明，P1和P5之間的總體微生物功能潛力存在顯著差異。微生物功能潛力的主要決定因素是根沉積物組成，而不是土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化。

進(jìn)一步分析了KO功能類別的KEGG途徑富集情況，結(jié)果表明，P1和P5中分別發(fā)現(xiàn)了26條和18條顯著富集KEGG通路（圖7）。更多的KO在P1中顯著富集，表明隨著單一種植時間的持續(xù)，活性細(xì)菌尤其是在連作期間參與代謝的類群的功能潛力降低（圖6）。

圖7P1和P5處理中活性細(xì)菌KEGG途徑的差異。使用雙尾Wilcoxon檢驗對P1和P5之間的路徑差異進(jìn)行量化，并顯示校正的P值。P1和P5分別代表花生連續(xù)單作1年和5年的樣本

結(jié)論

利用¹³CO₂標(biāo)記、代謝組學(xué)和宏基因組分析，我們證明了根際沉積物的化學(xué)多樣性、活性根際微生物多樣性和代謝功能途徑的顯著減少是根際生態(tài)系統(tǒng)中微生物組功能退化的關(guān)鍵指標(biāo)。更重要的是，證明了根際碳沉積及其化學(xué)多樣性的減少傾向于抑制微生物多樣性及其功能。該發(fā)現(xiàn)為根際化學(xué)多樣性在影響根際微生物生物多樣性及其功能方面的作用提供了新的見解，這對于土壤生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要。

論文id：https://doi.org/10.1186/s40168-022-01287-y