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作者：薄纯斌，南京农业大学硕士在读，主要研究资源调控微生物互作。 周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍根际沉积物地下碳分配和化学多样性的改变如何影响根际微生物群落，原文于2022年发表在《Microbiome》上。
由于根际沉积物具有调节根际互作、养分和能量流动以及植物-微生物的交流的功能，因此它在维持土壤和植物健康方面发挥着重要作用。然而，根际沉积物地下碳分配和化学多样性的改变影响根际微生物群落功能的机制尚不清楚。因此，作者调查了花生连作过程中，根际碳分配和化学多样性与微生物群落多样性和微生物群落功能的关系。利用基于DNA稳定同位素探针(DNA-SIP)的代谢组学、扩增子和鸟枪宏基因组测序方法，研究了13CO2连续标记植物后，根际沉积物的化学多样性和化学组成，以及根际微生物组的结构和功能。作者假设连续单作会降低根系沉积物的化学多样性，从而抑制利好根系沉积物的微生物群落的生物多样性和功能。在这篇文章中，作者通过在花生连续单一栽培系统中进行温室实验(图1)。(i)作者研究了连续的花生单一栽培如何影响根际C分配，化学多样性和根际沉积物的组成，(ii)利好根际沉积物的微生物群落的生物多样性组成，(iii)根际活性微生物的功能潜力。
图1 关键实验设置流程图。P1、P5和P10表示单一种植的年限。W6和W10表示种植时间6周和10周 P1(单作1年)的植物生物量均显著高于P5(单作5年)和P10(单作10年，图2A)，而P5和 P10植物生物量无显著差异。由于根冠比较高，光合作用固定的C与植物生长所需的C不平衡，因此导致W6地下输入的C较高，而较老的植物优先将新同化的C分配给嫩枝(图2B)。因此植株年龄是地下碳分配的关键决定因素。除了植物生长，不同连作时间下土壤养分的变化也会导致地下碳分配的差异。这表明光合C的分配受单作时长和种植时长的影响(图2)作者的研究结果表明，包括SOC，TN，AN和AK在内的土壤养分与地下C分配呈正相关，即新同化的分配到地下的C与矿物氮的数量呈负相关。因此，作者的研究结果证实了资源优化假说，即增加营养物质的可利用性可以抑制地下C分配。
图2 植物生物量(A)和光合碳分配格局(B) 作者利用 FTICR-MS 技术对花生根系沉积物的组成和多样性进行了研究。木质素在花生根瘤沉积物中具有最高的相对丰度(39-58%)，其次是脂质(23-47%)和蛋白氨基糖(8-15%，图3A)。同时作者还发现，木质素是植物形成层细胞的重要组成部分，在植物相关环境如根际中高度富集。无论是在植物生长阶段还是在不同单一种植年限之间，根际沉积物的组成都存在显著差异(图3B)。作者观察到不同处理之间根沉积物的组成有显著差异，最主要的是根沉积物的化学多样性随着连作时长而显著下降(图3C)。作者还发现植物生物量与根系沉积物的化学多样性之间存在很强的正相关性(图3D)，因此植物生物量决定了植物根系沉积物的含量和组成。
图3 根际沉积物的化学组成和多样性 通过DNA-SIP 的扩增子测序发现总共有83个属在P1和P5中显著差异富集，其中，71个种在P1中显著富集，而12种在P5中显著富集(图4D)。研究发现从P1到 P5的花生根际活性细菌的生物多样性显着降低(图4C)。因此，单作系统中土壤微生物多样性的下降可能是一个重要的指标和驱动力。研究还发现许多植物有益微生物物种和植物病原菌存在显著差异，如芽孢杆菌、链霉菌、Ramlibacter、溶菌杆菌、Trinickia(图4A)。因此，植物有益微生物和植物病原微生物在不同种植时期的差异富集是微生物驱动连作障碍的另一个重要指标和驱动力。同时，无论是在生长阶段还是在单一种植年限之间，活性细菌组成都存在显著差异，且单一种植年限比生长阶段对活性细菌组成的影响更大(图4B)。
研究发现，根际沉积物的化学多样性和微生物多样性之间的显著相关性(图5A)，这表明根际沉积物及其组成对土壤中活性微生物群落具有显著影响。使用系统发育信息模型，作者研究了根沉积物和活性细菌群落组装的生态过程。发现根沉积物和活性细菌群落的组装过程是一致的，因此驱动根沉积物的过程对于微生物群落也是相同的。这意味着连续单作对根系沉积物的影响可能比微生物群落的影响更大，这可能是因为除了根系沉积物的选择之外，单作期间微生物群落的变化也是由一些随机过程(如随机扩散、多样化和生态漂移)决定(图5B)。作者也观察到根沉积物的潜在转化和活性微生物群落组装过程之间存在显着的正相关，但根际沉积物的分子特性可能对活性细菌的组装过程影响较弱(图5D)。同时，作者发现P5处理的根沉积物的潜在转化明显低于P1处理(图5F)，并且这种降低与根沉积物的含量(图5F)和化学多样性(图5G)和活性细菌的生物多样性(图5H)显著正相关。因此表明作用于根沉积物的组装过程也在一定程度上反映微生物群落构成。
图5 根沉积物与活性细菌的关系 进一步分析KO功能类别的KEGG途径富集情况，结果表明，P1和P5中分别发现了26条和18条显著富集KEGG通路(图7)。活性细菌功能丰度的变化与地下C分配、微生物多样性和根沉积物的化学多样性高度相关(图6)。同时在连作过程中，微生物多样性的显著降低可能会抑制微生物的功能潜力(图6A)。作者还发现，微生物功能潜力与木质素和脂类密切相关，因此表明根际微生物群落的功能潜力主要由含量高的的根沉积物决定(图6C)。同时还发现在P1和 P5中差异富集的一些 KOs 和途径对土壤健康和植物生长具有重要意义。例如，富含 P1的群体感应途径是微生物-微生物通讯的关键途径；参与青霉素、头孢菌素和异喹啉生物碱生物合成的途径在 P1中也显著富集(图7)；倍半萜和三萜的生物合成也与土壤和植物健康有关。
图6
P1和 P5活性菌的KO功能类型差异显著 
图7 P1和P5处理中活性细菌KEGG途径的差异。使用双尾Wilcoxon检验对P1和P5之间的路径差异进行量化，并显示校正的P值。P1和P5分别代表花生连续单作1年和5年的样本。 根际沉积物和微生物群落的变化随着植物种植时长和单作时长的不同而变化。随着单作时间的增加中，根际碳分配、化学多样性、生物多样性和根际有益菌群及其功能逐渐被抑制。同时，作者发现根际沉积物与根际微生物群落的生物多样性和功能之间存在显著相关性，这些相关性受到不同生态过程的调控。总体而言，花生连作过程中碳沉降和化学多样性的减少，会抑制微生物多样性及其在根际生态系统中的作用。论文信息 原名：Reduced
chemodiversity suppresses rhizosphere microbiome functioning
inthe mono-cropped agroecosystems 译名：根际沉积物化学多样性影响根际微生物组功能 期刊：Microbiome DOI：10.1186/s40168-022-01287-y 发表时间：2022.07 通讯作者：Meng Wu 通讯作者单位：中国科学院南京土壤研究所
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