南非小农户豆科土壤微生物组的功能与分类谱系解析：揭示热带农业生态系统的微生物资源与土壤健康潜力

本研究针对南非小农户豆科作物土壤微生物群落的功能与分类特征展开深入探索。通过宏基因组学与Biolog生态板技术，团队系统分析了六处农场土壤样本的微生物组成与碳源代谢特征。结果表明，Chosen Generation农场土壤具有更高的微生物活性与碳源利用效率，并以放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）为优势类群，芽孢杆菌属（Bacillus）、链霉菌属（Streptomyces）和微枝菌属（Microvirga）等具有促生潜力的菌属丰度较高。该研究为理解热带小农农业系统中土壤微生物的资源分布与功能特性提供了重要数据支撑，对推动可持续农业发展具有积极意义。

　　

在全球气候变化与粮食安全危机日益严峻的背景下，土壤健康已成为农业可持续发展的核心议题。土壤微生物群落作为土壤健康的重要生物指标，在养分循环、有机质分解、病原抑制以及作物生长促进中发挥着关键作用。然而，集约化农业操作和不合理的土壤管理措施正不断对土壤微生物群落结构与功能产生负面影响，进而威胁农业生态系统的稳定性和生产力。尽管微生物组学研究方法如宏基因组测序和功能表型分析已在全球多个生态系统中得到应用，但对于南非等发展中国家的小规模农业系统，尤其是以豆科作物为主的种植系统中，土壤微生物的组成与功能特性仍缺乏系统性研究。

在这一背景下，由南非农业研究委员会（Agricultural Research Council）等单位的研究人员Tiisetso Mpai、Mamonokane Olga Diale等合作，在《BMC Microbiology》上发表了一项针对南非林波波省Tzaneen地区六个小农户农场土壤微生物群落的研究。该工作聚焦于种植班巴拉花生（Vigna subterranea）和菜豆（Phaseolus vulgaris）的农田土壤，旨在揭示其微生物组的结构与功能多样性，并探索其与土壤理化性质之间的关系，为资源匮乏地区探索基于微生物的农业可持续发展策略提供科学依据。

本研究主要采用了宏基因组测序与群落水平生理剖面（Community-Level Physiological Profiling, CLPP）分析两大关键技术。土壤样本来自六处小农户农场，每农场取五个点混合为一个代表样本。宏基因组DNA提取后使用MGI DNBSEQ-G400平台进行测序，并在KBase平台上完成质量控制和 taxonomic 注释，主要使用Kaiju和GOTTCHA2工具。功能多样性通过Biolog Ecoplate测定，该板包含31种碳源，可反映微生物群落的代谢能力。数据经ANOVA、PCA和层次聚类等统计方法分析。

土壤理化性质分析表明，Chosen Generation农场的土壤养分状况最佳，pH接近中性（6.57），锰（Mn）、硝酸盐（NO₃）、锌（Zn）、钾（K）等多种元素含量显著高于其他五个酸性较强（pH 5.10–5.87）的农场。Dan Bean farm 4的土壤肥力最低。这些差异为解释微生物群落结构变异提供了环境背景。

宏基因组测序共获得19.6–48.6百万条高质量序列。在门水平上，放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）为优势菌门，其中放线菌在Chosen Generation、Dan Bambara 2和Dan Bean 3中占比最高。Gemmatimonadetes在各农场中稳定存在（1.85–6.01%），而Dan Bambara 1的微生物多样性最低。

属水平分析显示，芽孢杆菌属（Bacillus）为绝对优势属，在Dan Bambara 1中占比高达49.41%。链霉菌属（Streptomyces）、微枝菌属（Microvirga）和慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）也在多数样本中高丰度存在。Chosen Generation中还发现了假单胞菌属（Pseudomonas）、根瘤菌属（Rhizobium）和戈登氏菌属（Gordonia）等具有生物防治与共生固氮潜力的物种。

CLPP分析显示，Chosen Generation农场土壤的微生物群落碳源利用能力最强，其总平均吸光度（AWCD）达1.58， Shannon指数（H′）为3.26，碳源丰富度（S）为27，极显著高于其他农场。主成分分析（PCA）与层次聚类将六个样本分为两大功能群，Chosen Generation与Dan Bean 4聚为一类，其余四个农场聚为另一类，两者相似性仅40%。碳水化合物、羧酸和多聚物等碳源利用模式在各农场间差异显著。

研究表明，南非Tzaneen地区小农户豆科作物土壤中蕴藏着丰富且功能多样的微生物资源，尤其以放线菌、芽孢杆菌和根瘤菌等相关属为优势类群。土壤理化性质（如pH、养分含量）与微生物群落结构和功能显著相关，其中Chosen Generation农场因其较好的土壤状况展现出更优的微生物代谢活性和多样性。尽管本研究未直接分析农业管理措施（如施肥与灌溉）的影响，但结果暗示这些因素可能通过改变土壤性质间接影响微生物群落。

该研究首次系统报道了南非小农农业系统中豆科作物土壤的微生物组结构与功能特征，为开发基于微生物的土壤健康管理策略提供了重要依据。放线菌和芽孢杆菌等资源物种的广泛存在表明这些土壤具备良好的植物促生和生物防治潜力，具有应用于绿色农业的广阔前景。作者建议未来研究应结合田间管理措施进一步探索微生物群落与农业实践之间的互作机制，以推动资源受限地区农业的可持续发展。