單一作物種植系統中根際沉積物化學多樣性降低抑制根際微生物功能

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文獻解讀

原名

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

譯名：

單一作物種植系統中根際沉積物化學多樣性降低抑制根際微生物功能

期刊：

Microbiome

IF：

16。837

發表時間：

2022。7

第一作者

：Pengfa Li

摘要

背景：

植物根際沉積能夠調節根際相互作用、過程、養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重要的作用。然而，地下碳分配和根際沉積物化學多樣性的變化是否以及如何影響根際生態系統中微生物群的功能尚不清楚。

方法：

為了填補這一研究空白，我們研究了花生（

Arachishypogaea

）連作期間根際碳分配及其化學多樣性與微生物多樣性和功能之間的關係。在用

13

CO

2

連續標記植物後，我們利用基於DNA穩定同位素探針（DNA-SIP）的代謝組學、擴增子和宏基因組測序方法，研究了根際沉積物的化學組成和多樣性以及活性根際微生物群的組成和多樣性。

結果：

根際沉積物和相關活性微生物類群在不同生長階段和單一種植持續時間之間具有顯著差異。

具體而言，持續單一種植後，根際碳分配、根際沉積物化學多樣性、微生物多樣性和植物有益類群的丰度

（如

Gemmatimonas,Streptomyces, Ramlibacter,

和

Lysobacter

）以及功能基因途徑（如群體感應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烈的相關性，

儘管它們受不同的生態過程調節。

總體而言，花生連作期間沉根際沉積和化學多樣性的減少傾向於抑制根際生態系統中的微生物多樣性及其功能。

結論：我們的研究結果首次提供了單一作物種植系統中根際微生物組功能失調機制的基本證據。

為從根際沉積物的化學組成和多樣性的角度深入理解複雜的植物-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介面，該區域的眾多微生物之間相互作用決定了生物地球化學迴圈、植物生長以及對生物和非生物脅迫的耐受性。植物透過根系向根際輸入大量的光合固定碳（C），這些有機化合物統稱為根際沉積物。根際沉積物在根際區域具有多重功能，然而由於根際過程的動態變化性，導致很難追蹤根際生態過程並深入瞭解根際過程的生態系統功能。

因此需要對植物根際沉積物及其化學組分、化學多樣性和根際微生物進行進一步研究，以從機制上理解它們在根際生態系統中的生態生理功能。

根際沉積主要受土壤和植物因素的影響，如土壤性質、植物物種、生長狀態、生長階段和其他環境相互作用。在農業生態系統中，植物地下碳分配受到種植制度的影響，如單作和間作，並最終隨著持續時間的增加影響土壤性質和植物生長。根據植物資源最佳化假說，在長期單一種植條件下，土壤養分含量的變化（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生負面影響。

考慮到農業實踐對土壤性質和植物生長的影響，我們預計連續單一種植可能會影響地下碳分配以及根際沉積物的化學組成和化學多樣性。

根際沉積物的數量和化學組成能夠招募不同的根際微生物群落。如果連續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而能夠影響根際微生物群，尤其是依賴於根際沉積物營養和能量需求的活性微生物類群，包括其多樣性、組成和群落組裝機制（決定性-隨機性過程）。然而，這一觀點從未在以往的研究中進行過驗證。因此，根際沉積物化學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複製和時間序列研究。同時，連續單季種植系統為闡明根際沉積物化學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。

考慮到在連續單一種植條件下，根際沉積物的化學多樣性預計會減少，根際微生物功能也會降低或受到抑制。因此，我們假設連續單一種植將減少根際沉積物的化學多樣性，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。

我們透過在花生（Arachishypogaea）連續單一栽培系統中進行溫室試驗來驗證我們的假設（圖1）。

具體而言，研究了花生連續單一栽培如何影響（i）地下碳分配以及根際沉積物的化學組成和多樣性；（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

關鍵實驗設定流程圖。

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。

主要結果

1.植物生物量和光合碳分配格局

P1處理（連續單作1年）的植物生物量在任何生長階段都高於P5和P10處理（連續單作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。

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多樣性

木質素、脂類、蛋白質和氨基糖的相對丰度在所有樣品中佔優勢。W10中的脂質明顯少於W6，而縮合芳烴則呈現相反的趨勢（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

的化學多樣性始終高於

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，我們發現根際沉積物的化學多樣性與植物生物量之間顯著正相關（圖

3D

）。

圖

3

根際沉積物的化學組成和多樣性

3.活性細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個平均相對丰度最高的類別（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菌組成的影響更大（圖4B）

在兩個生長階段，

P1

中活性細菌的

α-

多樣性（包括夏農

-

維納指數和物種豐富度指數）始終高於

P5

，這表明更多的細菌種類參與了

P1

中根際沉積物的利用（圖

4C

）。

此外，在W6，活性細菌的物種豐富度與地下C分配顯著正相關（r=0。798，P=0。018），但在W10，這種相關性較弱（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菌組成和生物多樣性。

（

A

）前

20

個活性細菌屬的歸一化相對丰度。（

B

）活性細菌群落的

PCoA

分析。（

C

）活性細菌的

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菌。

P1

和

P5

分別代表花生連續單作

1

年和

5

年；

W6

和

W10

分別代表播種後

6

周和

10

周採集的樣本

圖

5

活性細菌生物多樣性與植物地下碳分配的關係

4.根際沉積物與活性細菌的聯絡

根際沉積物的化學多樣性與活性細菌的生物多樣性之間存在顯著正相關（圖6）。

圖

6

活性細菌生物多樣性與植物地下碳分配的關係

5.活性細菌的功能潛力

宏基因組功能分析共產生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性質的變化。

進一步分析了KO功能類別的KEGG途徑富集情況，

結果表明，

P1

和

P5

中分別發現了

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，活性細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

之間的路徑差異進行量化，並顯示校正的

P

值。

P1

和

P5

分別代表花生連續單作

1

年和

5

年的樣本

結論

利用

13

CO

2

標記、代謝組學和宏基因組分析，我們證明了根際沉積物的化學多樣性、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系統中微生物組功能退化的關鍵指標。更重要的是，

證明了根際碳沉積及其化學多樣性的減少傾向於抑制微生物多樣性及其功能。

該發現為根際化學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，這對於土壤生態系統功能至關重要。

論文

id

：

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

END

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