水分亏缺胁迫改变玉米和甜菜微生物群落组装、结构与来源的机制研究

本综述系统探讨了水分亏缺（WD）对玉米和甜菜根际、根内和叶际微生物群落（细菌、真菌、原生生物）组装过程的影响。研究通过野外实验与分子生态学分析，揭示了干旱通过改变群落组装过程（如选择selection/扩散dispersal）、微生物来源（source-sink）及多界互作网络（co-occurrence network），从而重塑植物微生物组的生态机制，为利用微生物组提升作物抗旱性提供了理论依据。

　　

摘要

本研究通过野外实验与分子生态学手段，系统解析了水分亏缺（water deficit, WD）胁迫下玉米和甜菜根际、根内及叶际微生物群落（细菌、真菌、原生生物）的组装机制、结构变化和来源迁移规律。

1 引言

干旱胁迫对农业系统和粮食安全构成严重威胁，且随着气候变化日益频繁。干旱已导致过去四十年重大作物损失，并预计未来将加剧产量下降。植物相关微生物可通过提供胁迫缓解效益增强宿主在干旱等非生物胁迫条件下的适应性，但关于环境条件如何复杂影响微生物群落组装的研究仍有限。本研究通过野外实验，假设水分亏缺将通过改变群落组装过程和微生物源-汇迁移模式，影响植物微生物组的群落组成和结构。

2 实验方法

2.1 样品采集

在美国中西部8个地点（科罗拉多、蒙大拿、内布拉斯加和怀俄明）的相邻玉米和甜菜田中，采集了灌溉和水分亏缺处理下的土壤核心和植物样品（叶、根、根际土壤）。水分亏缺处理区土壤 gravimetric water content 比灌溉处理低30%–63%。

2.2 样品处理

将植物样品分为根际土壤（紧密附着根系的土壤）、根区（根平面和内圈）和叶际（叶平面和内圈）三个生态位区室。根和叶样品经液氮研磨后保存。

2.3 DNA提取与扩增子测序

使用QIAGEN试剂盒提取DNA，并通过16S rRNA（细菌）、ITS（真菌）和18S（原生生物）扩增子测序。使用PNA clamp阻断宿主（植物）DNA扩增。

2.4 生物信息学分析

使用USEARCH和UNOISE3处理序列，构建OTU表。采用FEAST进行微生物来源追踪，iCAMP分析群落组装过程，SparCC构建多界微生物共现网络。

2.5 统计分析

在R环境中使用vegan包进行多样性分析和PERMANOVA，MaAsLin2鉴定差异物种，Gephi可视化网络拓扑属性。

3 结果与讨论

3.1 甜菜18S测序中根叶区室宿主读段占主导

测序共获得13,108,603条（细菌）、8,639,870条（真菌）和17,649,253条（原生生物）高质量读段。甜菜根和叶样品中宿主读段占主导，后续分析以玉米为主。

3.2 水分亏缺影响所有区室的微生物群落结构

水分亏缺显著降低了细菌群落的Shannon多样性，但对真菌和原生生物影响不显著。PERMANOVA表明，生态位、地点和浇水处理及其交互作用均显著影响微生物β多样性。干旱导致放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）富集，而变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）减少。真菌和原生生物响应无明确的门水平趋势，表明其抗旱性较强。

3.3 水分亏缺影响植物微生物组的选择过程

FEAST分析表明，植物相关微生物主要来源于土壤，并受宿主区室过滤。干旱减少了根部微生物向叶部的输送（例如玉米叶细菌从根部的来源从31%降至13%），增加了叶部微生物来自土壤和未知来源（如气传微生物）的比例。干旱可能通过 impair 植物维管系统水分运输，改变微生物迁移路径。

3.4 微生物群落组装过程受干旱影响

iCAMP分析显示，随机过程（漂变drift、扩散限制dispersal limitation）在微生物群落组装中占主导。干旱降低了根际和根内细菌和真菌的随机过程重要性，增加了选择过程（异质/同质选择heterogeneous/homogeneous selection）的作用，表明干旱增强了环境筛选和竞争互作。叶际则因气传微生物贡献增加，选择过程重要性下降。

3.5 水分亏缺塑造微生物共现网络

微生物共现网络复杂性根际最高，叶际最低。干旱一般降低网络复杂性和模块性，但增加根和叶内正连接比例（如玉米根正连接从61.9%升至85.1%）。根际网络中，干旱增加原生生物的贡献和细菌-原生生物负连接（可能反映捕食或竞争），同时增强真菌与其他微生物界的正互作，表明抗旱类群可能通过协作增强群落稳定性。

4 结论

水分亏缺通过改变微生物来源、组装过程和多界互作网络，重塑了玉米和甜菜不同植物区室的微生物群落。未来研究应考虑宿主和环境因素对微生物招募的影响，以优化微生物组管理策略，增强作物抗旱性。

作者贡献与致谢

Pankaj Trivedi设计并监督研究，Kristen Otto参与实验设计采样，Kathryn Bazany主导数据分析，所有作者参与文稿撰写。研究得到科罗拉多农业实验站和美国农业部NIFA项目资助。作者声明无利益冲突。