【LorMe周刊】植物发育和氮肥共同作用下的小麦根系微生物群落变化
作者：王震，南京农业大学硕士在读，研究根际资源调控根际微生物群落互作。
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导读
根系微生物组为寄主植物提供了额外的基因库，因此常被称为第二植物基因组。值得注意的是，近年来，植物根相关微生物群落因其在宿主营养、发育和免疫方面的重要作用而受到越来越多的关注。最近的一项研究表明，植物根系在根区聚集了来自周围土壤的微生物群落。这些微生物群落可能对寄主植物产生有益或有害的作用，这种平衡的改变可能会极大地影响农业生态系统中的作物生产。因此，了解根相关微生物群落对土壤管理和植物生理状态的响应具有重要的农学意义。
根分泌物和根际土壤的碳水平是影响植物氮素吸收的微生物群落的重要因素。例如，最近有研究表明丛枝菌根真菌能够将氮转移到植物中，这种真菌共生介导的氮吸收是由宿主植物提供的碳刺激的。考虑到根系碳库对农业生态系统中作物氮素回收率的重要性，有必要对氮肥引起的不同碳利用水平下的根相关微生物群落进行研究。根相关的微生物群落受周围土壤条件和寄主植物的动态影响。作为调节生长的一种策略，植物有能力通过向根际分泌生物活性分子来改变土壤环境，从而改变土壤微生物群的土壤条件。因此，不同的植物物种或基因型可以通过根系形态和根系渗出模式的差异来招募特定的微生物群。此外，根分泌物的组成和根相关的微生物群落结构受到植物生长阶段的强烈影响。
为了研究不同水平氮肥和作物生长时期对SAC（soil active carbon）、SOC（soil organic carbon）、ROC（released organic carbon）、OA（organic acids）含量的影响，作者设置了N0（kg N ha-1）、N100（kg N ha-1）、N200（kg N ha-1）、N300（kg N ha-1）四个氮肥浓度水平，观察小麦根系分泌物中有机碳和有机酸含量，发现在N0处理中的SAC在分蘖、拔节、成熟时期都显著低于N100、N200、N300处理，但是大多数施肥处理的SAC差异不显著（图1a）。根际土壤有机碳（SOC）水平也表现出类似的规律（图1b）。ROC含量在不同时期差异显著，拔节期的ROC含量显著高于分蘖期，成熟期N200、N300的ROC显著高于N0、N100（图1c）。该研究中总共检测出8种有机酸(乙酸、草酸、丙酮酸、富马酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸)，除了丙酮酸、延胡索酸外，其余均在根样品检测出，有机酸的含量组成随生长时期不同而不同（图1d）。分蘖期有机酸浓度总和为0.06-0.10 mg C/g，以琥珀酸、柠檬酸和苹果酸为主，它们分别占测定有机酸总量的46-62%、17-26%和14-20%；拔节期有机酸浓度为0.39-0.76 mg C/g根，以琥珀酸为主，占有机酸总量的82-87%；成熟期有机酸浓度总和为0.14-0.23 mg C/g根，其中柠檬酸和苹果酸占主导地位，分别占有机酸总量的55-92%和7-17%。
图1 a. 四种氮肥水平三个生长时期的土壤活跃碳；b.四种氮肥水平三个生长时期的土壤有机碳；c. 四种氮肥水平三个生长时期的根系分泌有机碳；d. 四种氮肥水平三个生长时期的根系分泌有机酸
为了研究细菌群落对植物生长阶段和氮肥的响应，作者对根际上述样品进行了高通量测序。在根际样品中，分蘖期4个氮肥水平的细菌群落组成存在显著差异(图2a)。拟杆菌门的相对丰度降低，放线菌门和变形菌门的相对丰度随施氮量的增加而增加。拔节期和成熟期4个氮肥水平样品间细菌群落组成相似。在OTU水平上进行主坐标分析(PCoA)表明，在植物不同的生长期的细菌群落明显分离，而在根际土壤中只有在分蘖期才能观察到氮肥的作用（图2c）。计算各施肥水平下各生长阶段间的差异距离，各生长阶段间的微生物群落结构差异随根际施氮量的增加呈下降趋势(图2d)。
图2 a.根际细菌门水平群落祖成；c.根际细菌群落的PCoA分析；d. 不同生长阶段微生物群落结构的不相似距离
基于OTU水平上的冗余分析(RDA)表明,ROC与细菌群落显著相关（P＜0.001）,分别占根际和根样的19.0%和12.7% 。曼特尔测试结果还揭示了根际有机碳和细菌群落之间的显著相关。
热图分析表明，在目水平上，根际样品中微球菌、丙酸杆菌、芽孢杆菌和根瘤菌的相对丰度在拔节期和成熟期显著高于分蘖期(图3)。在属水平上，根际样品拔节期的节杆菌、单孢原菌、链霉菌、芽孢杆菌的相对丰度显著高于拔节期和分蘖期。在根样本中，微杆菌、节杆菌、鞘单胞菌和分蘖期的相对丰度与氮肥水平呈正相关，而链霉菌与各生长阶段的氮肥水平呈负相关。此外，芽孢杆菌、海洋杆菌和乳球菌的相对丰度在拔节期明显高于其他生长期。
图3 根际优势菌目热图(左)和优势菌目与有机酸的皮尔逊相关分析(右)
为了研究细菌、真菌的相关性，对根际样品中细菌和真菌在三个生长阶段的相关性进行评估。挑选相对丰度大于1%的属进行了分析，根际样品中有39个细菌属和24个真菌属，在根样本中有45个细菌属和24个真菌属，之后对细菌属和真菌属进行相关性分析。根际样品中，分蘖期、拔节期和成熟期分别有123、82和100组显著相关(表2，p < 0.05)。根样品中细菌和真菌中，分蘖期有106组显著相关，拔节期增加到128组，成熟期增加到130组。拔节期，Devosia、Arthrobacter和Luteolibacter大于9个以上真菌属显著相关。
在本研究中，不同氮肥处理下根际土壤活性炭(SAC)和土壤有机碳(SOC)的数量较对照(N0)显著增加。这些变化可以初步归因于氮肥的长期效应，氮肥增加了根系生物量和根系分泌物总量。此外，由于作物残体被还田，氮肥增加了地上作物的生物量，从长期来看也促进了SAC和SOC水平的提高。SAC、ROC和SOC不随植物生长阶段而产生波动,这表明SOC、SAC在不同施肥水平的差异主要是由累积根分泌物的变化和多年作物残留引起。
根际细菌群落结构在分蘖期因施氮量的不同而明显分离，但在拔节期和成熟期交叉在一起，拔节期和成熟期的ROC水平显著高于在分蘖期。PGPR与植物的根有着密切的联系，能够增强寄主植物在环境中的适应能力。在这项研究中，根际中Arthrobacter、Bacillus、Massilia、Devosia 和根中Bacillus、Oceanobacillus、Lactococcus、Massilia 在拔节期和成熟期显著高于分蘖期，这些属在前人研究中被命名为PGPR。Pearson相关分析表明，这些菌属与一种或几种有机酸呈正相关(图3b)，Arthrobacter、Bacillus、Devosia也与氮输入水平呈正相关。一个可能的解释是，植物通过分泌有机酸来招募PGPR是对氮输入增加作出的反应。事实上，根分泌有机酸对PGPR的招募已经在之前的一些研究中得到了证明。有机酸的组成和数量随着施肥水平的变化而变化，可能原因是氮水平的升高改变了植物的生理状态。另一种可能的解释，过量的氮输入导致了土壤中其他营养物质的消耗，如磷酸盐，有机酸的分泌被认为是一种从土壤无机配合物中释放磷酸盐的有效途径。
植物发育和长期施氮对根相关微生物群落结构都有重要影响。细菌群落组成与ROC密切相关，而真菌群落与SAC密切相关。植物生长时期对根际和根际细菌和真菌群落的相关性有着不同程度的影响。研究发现大量的PGPR与有机酸和氮肥水平相关，表明有机酸的分泌来招募PGPR可能是植物应对氮输入的重要策略。这项研究有助于理解如何调节微生物群落组成的变化和集约化农业生态系统中氮输入的影响。
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