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作者：薄純斌,，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士在讀,，主要研究資源調(diào)控微生物互作。 周刊主要展示LorMe團(tuán)隊成員優(yōu)秀周報,，每周定期為您奉上學(xué)術(shù)盛宴,！本期周刊為您介紹根際沉積物地下碳分配和化學(xué)多樣性的改變?nèi)绾斡绊懜H微生物群落，原文于2022年發(fā)表在《Microbiome》上,。
由于根際沉積物具有調(diào)節(jié)根際互作,、養(yǎng)分和能量流動以及植物-微生物的交流的功能，因此它在維持土壤和植物健康方面發(fā)揮著重要作用,。然而,，根際沉積物地下碳分配和化學(xué)多樣性的改變影響根際微生物群落功能的機(jī)制尚不清楚。因此,，作者調(diào)查了花生連作過程中,，根際碳分配和化學(xué)多樣性與微生物群落多樣性和微生物群落功能的關(guān)系。利用基于DNA穩(wěn)定同位素探針(DNA-SIP)的代謝組學(xué),、擴(kuò)增子和鳥槍宏基因組測序方法,，研究了13CO2連續(xù)標(biāo)記植物后，根際沉積物的化學(xué)多樣性和化學(xué)組成,，以及根際微生物組的結(jié)構(gòu)和功能,。作者假設(shè)連續(xù)單作會降低根系沉積物的化學(xué)多樣性，從而抑制利好根系沉積物的微生物群落的生物多樣性和功能。在這篇文章中,，作者通過在花生連續(xù)單一栽培系統(tǒng)中進(jìn)行溫室實驗(圖1),。(i)作者研究了連續(xù)的花生單一栽培如何影響根際C分配，化學(xué)多樣性和根際沉積物的組成,，(ii)利好根際沉積物的微生物群落的生物多樣性組成,，(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 P1(單作1年)的植物生物量均顯著高于P5(單作5年)和P10(單作10年,，圖2A),，而P5和 P10植物生物量無顯著差異。由于根冠比較高,，光合作用固定的C與植物生長所需的C不平衡,，因此導(dǎo)致W6地下輸入的C較高，而較老的植物優(yōu)先將新同化的C分配給嫩枝(圖2B),。因此植株年齡是地下碳分配的關(guān)鍵決定因素,。除了植物生長，不同連作時間下土壤養(yǎng)分的變化也會導(dǎo)致地下碳分配的差異,。這表明光合C的分配受單作時長和種植時長的影響(圖2)作者的研究結(jié)果表明,，包括SOC，TN,，AN和AK在內(nèi)的土壤養(yǎng)分與地下C分配呈正相關(guān),，即新同化的分配到地下的C與礦物氮的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。因此,，作者的研究結(jié)果證實了資源優(yōu)化假說,，即增加營養(yǎng)物質(zhì)的可利用性可以抑制地下C分配。
圖2 植物生物量(A)和光合碳分配格局(B) 作者利用 FTICR-MS 技術(shù)對花生根系沉積物的組成和多樣性進(jìn)行了研究,。木質(zhì)素在花生根瘤沉積物中具有最高的相對豐度(39-58%),，其次是脂質(zhì)(23-47%)和蛋白氨基糖(8-15%，圖3A),。同時作者還發(fā)現(xiàn),，木質(zhì)素是植物形成層細(xì)胞的重要組成部分,，在植物相關(guān)環(huán)境如根際中高度富集,。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),。作者觀察到不同處理之間根沉積物的組成有顯著差異,，最主要的是根沉積物的化學(xué)多樣性隨著連作時長而顯著下降(圖3C)。作者還發(fā)現(xiàn)植物生物量與根系沉積物的化學(xué)多樣性之間存在很強(qiáng)的正相關(guān)性(圖3D)，因此植物生物量決定了植物根系沉積物的含量和組成,。
圖3 根際沉積物的化學(xué)組成和多樣性 通過DNA-SIP 的擴(kuò)增子測序發(fā)現(xiàn)總共有83個屬在P1和P5中顯著差異富集,，其中，71個種在P1中顯著富集,，而12種在P5中顯著富集(圖4D),。研究發(fā)現(xiàn)從P1到 P5的花生根際活性細(xì)菌的生物多樣性顯著降低(圖4C)。因此,，單作系統(tǒng)中土壤微生物多樣性的下降可能是一個重要的指標(biāo)和驅(qū)動力,。研究還發(fā)現(xiàn)許多植物有益微生物物種和植物病原菌存在顯著差異，如芽孢桿菌,、鏈霉菌,、Ramlibacter、溶菌桿菌,、Trinickia(圖4A),。因此，植物有益微生物和植物病原微生物在不同種植時期的差異富集是微生物驅(qū)動連作障礙的另一個重要指標(biāo)和驅(qū)動力,。同時,，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,，且單一種植年限比生長階段對活性細(xì)菌組成的影響更大(圖4B),。
圖4 利用根際沉積物的活性細(xì)菌的組成和多樣性研究發(fā)現(xiàn)，根際沉積物的化學(xué)多樣性和微生物多樣性之間的顯著相關(guān)性(圖5A),，這表明根際沉積物及其組成對土壤中活性微生物群落具有顯著影響,。使用系統(tǒng)發(fā)育信息模型，作者研究了根沉積物和活性細(xì)菌群落組裝的生態(tài)過程,。發(fā)現(xiàn)根沉積物和活性細(xì)菌群落的組裝過程是一致的,，因此驅(qū)動根沉積物的過程對于微生物群落也是相同的。這意味著連續(xù)單作對根系沉積物的影響可能比微生物群落的影響更大,，這可能是因為除了根系沉積物的選擇之外,，單作期間微生物群落的變化也是由一些隨機(jī)過程(如隨機(jī)擴(kuò)散、多樣化和生態(tài)漂移)決定(圖5B),。作者也觀察到根沉積物的潛在轉(zhuǎn)化和活性微生物群落組裝過程之間存在顯著的正相關(guān),，但根際沉積物的分子特性可能對活性細(xì)菌的組裝過程影響較弱(圖5D)。同時,，作者發(fā)現(xiàn)P5處理的根沉積物的潛在轉(zhuǎn)化明顯低于P1處理(圖5F),，并且這種降低與根沉積物的含量(圖5F)和化學(xué)多樣性(圖5G)和活性細(xì)菌的生物多樣性(圖5H)顯著正相關(guān)。因此表明作用于根沉積物的組裝過程也在一定程度上反映微生物群落構(gòu)成,。
圖5 根沉積物與活性細(xì)菌的關(guān)系 進(jìn)一步分析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)?；钚约?xì)菌功能豐度的變化與地下C分配,、微生物多樣性和根沉積物的化學(xué)多樣性高度相關(guān)(圖6)。同時在連作過程中,，微生物多樣性的顯著降低可能會抑制微生物的功能潛力(圖6A),。作者還發(fā)現(xiàn)，微生物功能潛力與木質(zhì)素和脂類密切相關(guān),，因此表明根際微生物群落的功能潛力主要由含量高的的根沉積物決定(圖6C),。同時還發(fā)現(xiàn)在P1和 P5中差異富集的一些 KOs 和途徑對土壤健康和植物生長具有重要意義。例如,，富含 P1的群體感應(yīng)途徑是微生物-微生物通訊的關(guān)鍵途徑,；參與青霉素、頭孢菌素和異喹啉生物堿生物合成的途徑在 P1中也顯著富集(圖7),；倍半萜和三萜的生物合成也與土壤和植物健康有關(guān),。
圖6
P1和 P5活性菌的KO功能類型差異顯著 
圖7 P1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。 根際沉積物和微生物群落的變化隨著植物種植時長和單作時長的不同而變化,。隨著單作時間的增加中,，根際碳分配、化學(xué)多樣性,、生物多樣性和根際有益菌群及其功能逐漸被抑制,。同時，作者發(fā)現(xiàn)根際沉積物與根際微生物群落的生物多樣性和功能之間存在顯著相關(guān)性,，這些相關(guān)性受到不同生態(tài)過程的調(diào)控,。總體而言,，花生連作過程中碳沉降和化學(xué)多樣性的減少,，會抑制微生物多樣性及其在根際生態(tài)系統(tǒng)中的作用。論文信息 原名：Reduced
chemodiversity suppresses rhizosphere microbiome functioning
inthe mono-cropped agroecosystems 譯名：根際沉積物化學(xué)多樣性影響根際微生物組功能 期刊：Microbiome DOI：10.1186/s40168-022-01287-y 發(fā)表時間：2022.07 通訊作者：Meng Wu 通訊作者單位：中國科學(xué)院南京土壤研究所
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