北极苔原采矿扰动区与完整生境中本地豆科植物根瘤细菌多样性及群落结构研究

《Brain, Behavior, & Immunity - Health》：Bacterial diversity and community structure in native legume root nodules in intact and mining-disturbed Arctic tundra

本研究针对北极采矿扰动区生态系统恢复缓慢的难题，探讨了四种本地豆科植物（Astragalus alpinus, Hedysarum americanum, Oxytropis arctica, O. maydelliana）在砾石采石场与完整苔原根瘤内细菌群落组成差异。通过16S和nifH基因测序分析发现，尽管土壤条件差异显著，但根瘤菌群落组成和多样性在两种生境间无显著差异，且不同豆科物种间结节群落差异有限。结果表明采矿扰动区存在足够的微生物繁殖体支持自然结瘤过程，为北极生态恢复中本地豆科植物的应用提供了重要理论依据。

　　

在广袤的北极苔原，采矿活动留下的砾石采石场如同大地上的伤疤，植被消失、土壤有机质匮乏，使得自然生态系统恢复需要数十年甚至数百年时间。面对低温和短暂生长季等严峻环境挑战，如何加速这些受损土地的恢复成为亟待解决的难题。值得注意的是，研究人员在野外工作中观察到一些本地豆科植物如Astragalus alpinus和Oxytropis arctica能够自然定殖于这些贫瘠的砾石基质，这为生态恢复带来了新的希望。豆科植物通过与根瘤菌共生固氮的特性，能够改善土壤肥力，可能成为促进北极受损生态系统恢复的关键物种。

为了深入探究这一现象，由Angie S. Li领衔的研究团队在《Brain, Behavior, 》发表了题为"Bacterial diversity and community structure in native legume root nodules in intact and mining-disturbed Arctic tundra"的研究论文。该研究聚焦于加拿大努纳武特地区梅利亚丁矿场附近的三个废弃砾石采石场及相邻完整苔原，系统比较了四种本地豆科植物根瘤内细菌群落的差异。

研究人员采用跨学科的研究方法，主要包括野外样本采集、分子生物学技术和生物信息学分析。他们于2021年7月从砾石基质和完整苔原两种生境中采集了四种豆科植物的根瘤样本，通过表面灭菌处理后提取DNA，并利用16S rRNA基因和nifH基因扩增子测序技术分析细菌群落组成。测序数据经过QIIME2平台处理，采用SILVA和自定义nifH数据库进行分类学注释，最后在R语言环境中进行统计分析和可视化。

根瘤分类学特征

研究共获得23,417,575条16S序列，归类为350个扩增子序列变异(ASV)，过滤后保留309个ASV。变形菌门(Pseudomonadota)占主导地位(58.6%)，其次是拟杆菌门(Bacteroidota，22.3%)和放线菌门(Actinobacteriota，5.5%)。在属水平上，中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)在所有豆科物种和基质类型中相对丰度最高，其次是假单胞菌属(Pseudomonas)。nifH测序结果显示97.1%的序列属于根瘤菌属(Rhizobium)。

16S结节细菌群落组成与多样性

主成分分析表明，无论是基质类型还是豆科物种，结节16S细菌群落在组成上均无显著差异。香农多样性指数分析也显示基质类型和物种间无显著差异，但存在显著的物种与基质交互作用，这主要源于H. americanum结节群落在不同基质中的响应差异。

高载荷16S ASV对结节群落结构的贡献

对PC1轴物种得分最高的10个ASV分析发现，它们主要属于α-变形菌纲和γ-变形菌纲。差异丰度分析显示，尽管两种基质的结节群落组成重叠，但选定的ASV在两种基质间存在差异丰度。然而，高载荷ASV与低载荷ASV在丰度上无显著差异。

nifH结节细菌群落组成与多样性

nifH基因序列分析结果与16S rRNA序列相似，固氮结节细菌群落在两种基质类型间无显著差异。但O. maydelliana和H. americanum之间的固氮细菌群落组成存在显著差异，香农多样性也在这两个物种间表现出差异。

高载荷nifH ASV对结节群落结构的贡献

nifH ASV主要归属于中慢生根瘤菌属和根瘤菌属。差异丰度分析显示，选定的ASV在两种基质类型间的相对丰度无显著差异，但与16S分析结果一致的是，O. maydelliana和H. americanum以及A. alpinus和H. americanum之间存在显著差异。

研究结论表明，尽管砾石基质与邻近苔原的土壤条件存在巨大差异，但四种本地豆科植物根瘤内的细菌群落组成和多样性在两种生境间无显著差异。这一发现挑战了传统认知，因为高度扰动的砾石基质通常预期会具有不同的微生物群落。研究人员推测，根瘤菌可能在没有宿主植物的情况下能在基质中持续存在多年，或者通过种子垂直传播的方式实现定殖。

更为重要的是，不同豆科物种间结节群落的相似性表明，尽管这些物种在进化历史上存在差异（Astragalus和Oxytropis约在1480万年前分化），但环境因素可能覆盖了遗传差异对结节微生物组的影响。这一发现与一些研究结果一致，即土壤类型对结节微生物组组成的影响可能超过基因型效应。

该研究的实践意义在于证实了在北极采矿扰动区使用本地豆科植物进行生态恢复的可行性。特别是Astragalus alpinus和O. arctica作为早期定殖物种，结合其自然结瘤能力，使其成为种子生产的理想候选物种。这些植物不需要商业接种剂就能形成有效的共生关系，大大降低了恢复成本和技术门槛。将本地豆科植物与草皮移植方法结合，可能通过增加氮素供应来增强草皮恢复效果，为大规模北极生态恢复提供了新的技术路径。

这项研究不仅增进了我们对北极豆科植物-微生物共生关系的理解，而且为采矿扰动区的生态恢复提供了科学依据，展示了自然过程在极端环境恢复中的重要作用。