潜在植物有益细菌在番茄土壤与植株区室中的优势分布及其功能驱动机制

本研究系统揭示了番茄根际、土体及叶际中潜在植物有益细菌（PBB）的群落结构、功能分化及环境驱动因素。研究发现根际土壤拥有最高的PBB多样性，其中植物生长促进（PGP）功能群占主导地位；土壤pH是影响PBB群落构建的最关键因子。该研究为开发番茄专用微生物接种剂提供了理论依据和候选菌种资源。

　　

引言

气候变化和人口增长对全球粮食安全构成严重威胁，迫切需要可持续的农业增产策略。农业化学品的过度使用已带来环境和健康风险，而植物有益细菌（PBB）因其促进植物生长和健康的特性备受关注。然而，PBB在土壤和植物不同区室中的分布和群落组成仍不清楚。本研究以番茄这一全球重要经济作物为对象，探究其不同区室中潜在PBB的多样性、组成和栖息地偏好，并分析土壤性质对其群落结构的影响。

材料与方法

研究在澳大利亚维多利亚州和新南威尔士州的12个加工番茄农场进行，共采集180份土壤和植物样本，包括根际土壤、土体土壤和叶际（叶片）样品。土壤理化性质分析包括pH、水分含量、总碳、总氮、硝态氮和铵态氮的测定。采用16S rRNA基因V4区测序分析细菌群落结构，并通过全球参考数据库将PBB按功能分为生物防治、植物生长促进（PGP）和逆境抗性三类。统计分析包括α多样性计算、主坐标分析（PCoA）、Mantel检验和Spearman相关性分析。

结果

细菌与PBB群落的多样性和组成

根际土壤的细菌和潜在PBBα多样性最高，叶际最低。根际和土体土壤的潜在PBB相对丰度相近（约27.8%和27.6%），而叶际仅2.7%。在门水平上，放线菌门（Actinobacteriota）和变形菌门（Proteobacteria）是土壤和叶际的优势菌门。在属水平上，土体和根际土壤中以Rubrobacter、Blastococcus和Nocardioides为主，叶际则以Exiguobacterium和Microbacterium为优势属。

PBB功能群的多样性与组成

PGP功能群在所有区室中均为最丰富和多样的功能组，在土体和根际土壤中占比超过80%，在叶际中占51.2%。生物防治群次之，而逆境抗性群在土壤中占比不足2%，在叶际中升至28.5%。放线菌纲（Actinobacteria）在所有功能群中均占主导地位。

土壤性质与PBB群落的关系

土壤pH与潜在PBBα多样性呈显著负相关，是影响PBB群落结构的最强因子。土壤水分含量与PBB多样性也呈负相关，而硝态氮与多样性正相关。总碳、总氮和铵态氮与PBB多样性无显著相关性。Mantel检验表明，土壤性质对土体土壤中PBB群落的影响大于根际。Rubrobacter与pH呈显著正相关，而多数其他属与pH负相关。

讨论

植物区室内的PBB群落

根际土壤中较高的PBB多样性可能与根系分泌物招募有益细菌有关。放线菌和γ-变形菌在根际中丰度较高，与其在富碳环境中的快速生长能力一致。Rubrobacter和酸杆菌门（Acidobacteria）在养分较低的土体土壤中占优势。叶际PBB多样性较低可能与温度、湿度和UV辐射波动较大以及养分限制有关。

PBB功能群

PGP功能群的优势可能源于其生态多功能性和广泛适应性，以及植物对养分和植物激素的持续需求。在叶际中，逆境抗性群（如Exiguobacterium和Microbacterium）显示出明显的生态优势，与其抗逆能力和叶面定殖能力相关。

土壤性质的作用

土壤性质对土体土壤中PBB群落的影响大于根际，可能与根系分泌物和根-微生物互作对 rhizosphere 环境的缓冲作用有关。土壤pH通过影响酶活性和养分有效性直接调控PBB群落，其中Rubrobacter对pH变化的抵抗力是其优势维持的关键。土壤水分通过改变微生物区系影响PBB分布，而养分元素（如氮、碳）的影响较为有限，可能与测量方法及动态变化未能捕捉有关。

局限与展望

本研究在属水平鉴定潜在PBB，未涉及种水平的具体功能性状。尽管通过筛选具有植物有益功能的属降低了误差，但属内功能异质性仍是局限。未来研究应基于本研究的筛选方向，结合功能验证和田间试验，推动特定功能菌株的开发和应用。

结论

本研究系统揭示了番茄不同区室中潜在PBB的分布规律和功能分化，明确了根际土壤作为PBB多样性热点区的重要性，以及PGP功能群的主导地位。土壤pH是调控PBB群落构建的关键环境因子。研究结果为番茄专用微生物接种剂的开发提供了理论支持和候选菌种资源。