土地利用与植物基因型协同调控根鞘形成及根际微生物组驱动土壤碳汇潜力

《Plant and Soil》：Land use and plant genotype modulate rhizosheath traits, root-associated microbiota, and soil carbon sequestration potential

本研究针对土壤碳汇提升的关键机制，探讨了土地利用方式和珍珠粟基因型如何通过调控根鞘形成和根际微生物组影响碳固存。研究人员通过对比森林与葡萄园两种土地利用方式下的珍珠粟栽培实验，结合微生物组测序和功能预测分析，发现高聚集型珍珠粟在森林土壤中形成更大根鞘并实现更高净碳增益，揭示了根际微生物特别是产胞外多糖细菌在碳固存中的关键作用。该研究为通过植物-微生物互作调控提升土壤碳汇提供了新视角。

　　

在全球气候变化背景下，土壤碳固存已成为缓解大气CO₂浓度上升的重要途径。根际作为土壤生态系统中微生物活动的热点区域，在碳循环动态中扮演着核心角色。根际沉积物（植物根系释放的有机化合物）因其在碳固存中的作用而日益受到关注。然而，土地利用方式和植物基因型如何协同调控根鞘形成及其相关的微生物群落，进而影响土壤碳固存潜力，仍是当前研究的空白点。

传统农业实践如葡萄园种植往往导致土壤有机碳储量显著下降。研究表明，地中海地区砂质新成土从森林转为葡萄园使用百余年后，土壤碳储量从53吨/公顷骤降至3吨/公顷。与此同时，不同基因型植物在根鞘形成能力上存在显著差异，这种差异可能与碳固存效率密切相关。为了厘清这些复杂相互作用，Sarah Wagon等研究人员在《Plant and Soil》上发表了最新研究成果，系统探讨了珍珠粟基因型与土地利用方式对根鞘性状、根际微生物组及土壤碳固存潜力的调控机制。

研究人员采用了一种精巧的实验设计，选取相邻的森林和葡萄园地块的相同砂质新成土，栽培具有 contrasting 根鞘形成能力的两个珍珠粟品系（低聚集型L220和高聚集型L132）。通过控制土壤湿度至相同的田间持水量百分比，确保了实验条件的可比性。研究团队综合运用了植物生理测量、土壤碳含量分析、16S和ITS2 rDNA扩增子测序技术，并结合微生物共现网络分析、群落组装过程评估和PICRUSt2功能预测等生物信息学方法，系统解析了植物-土壤-微生物的互作关系。

主要技术方法概述

研究采用随机区组设计，比较两种土地利用（森林/葡萄园）和两种珍珠粟基因型（L220/L132）的交互效应。土壤样本采集自法国莫尔山地块相邻的森林和葡萄园地表层（0-30厘米）。微生物多样性通过16S（细菌）和ITS2（真菌）rDNA扩增子测序分析，使用Illumina PE250平台。数据处理采用QIIME2流程，包括DADA2去噪和ASV表生成。功能预测通过PICRUSt2参照KEGG数据库完成。共现网络基于Pearson相关性构建，群落组装过程通过β-NTI和RCBray指数评估。

植物生长和根鞘形成：土地利用与基因型的交互作用

研究发现土地利用和植物基因型对根鞘/根组织比率（RAS/RT）存在显著交互作用。

在森林土壤中，高聚集型品系L132的RAS/RT比值显著高于低聚集型L220，而这种差异在葡萄园土壤中不显著。同样，根鞘质量（RAS）也仅在森林土壤中表现出基因型间差异（L132 > L220）。相反，根生物量仅受基因型（L132 > L220）和土地利用（葡萄园 > 森林）的主效应影响，无交互作用。

净碳增益：根鞘大小的关键作用

净碳增益（NCG）分析揭示了有趣的模式：森林土壤中的NCG是葡萄园土壤的4-8倍，表明土地利用对碳固存具有主导影响。

更重要的是，土地利用效应仅在L132品系中显著，表现为显著的"土地利用 × 基因型"交互作用。这表明高聚集型品系在碳储量较高的森林土壤中反而能实现更高的碳固存效率，挑战了传统认为碳贫瘠土壤更具固碳潜力的观点。

根际微生物组：土地用地的强烈印记

微生物组分析显示，细菌群落的α多样性在葡萄园土壤中更高，且沿土壤-根连续体（BS → RAS → RT）显著下降。

β多样性分析表明，两种土地利用方式的土壤微生物库存在显著差异，但珍珠粟从不同的土壤微生物库中招募了相似的根际微生物群落，表现为根组织（RT）中微生物组成的趋同。LEfSe分析鉴定出多个在根组织中富集的细菌属，包括伯克霍尔德菌（Burkholderia）、中慢生根瘤菌-慢生根瘤菌-根瘤菌（Mesorhizobium-Bradyrhizobium-Rhizobium）和鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas），这些均为已知的胞外多糖（EPS）产生菌。

微生物网络与组装过程的 dichotomy

共现网络分析揭示了细菌和真菌群落的截然不同模式。

森林土壤网络中细菌关键类群占主导，而葡萄园土壤中真菌类群成为关键节点。群落组装过程分析显示，细菌群落周转主要由确定性过程（同质化选择）驱动，而真菌群落则受随机性过程（扩散限制）主导。这种差异体现了细菌和真菌在根际生态中的不同生态策略。

功能基因预测：EPS合成潜力的启示

PICRUSt2功能预测发现了三个与根鞘形成相关的基因家族：exoP/vpsO（编码EPS生物合成转运蛋白）、pigA/hemO（编码血红素加氧酶）和bjaR1/LuxR（编码群体感应系统转录调节因子）。这些基因在森林土壤中的预测丰度显著更高，且从土壤到根际呈富集趋势，表明森林土壤具有更强的EPS合成潜力。

结论与讨论

本研究揭示了根鞘形成和碳固存受两个主要因素调控：土地利用塑造的微生物多样性（特别是EPS产生菌）和植物基因型影响的根际沉积物组成与碳输入。高聚集型珍珠粟品系在森林土壤中表现出更大的根鞘和更高的净碳增益，这与土壤微生物库中特定的EPS产生菌（如Achromobacter和Nannocystis）以及更高的EPS合成基因（exoP/vpsO等）预测丰度相关。

研究结果挑战了碳贫瘠土壤更具固碳潜力的传统观点，揭示了森林土壤在支持植物-微生物互作促进碳固存方面的优越性。微生物网络分析表明，土地利用方式决定了微生物群落的结构基础，而植物基因型则在此框架内微调根际微生物组成。细菌群落的确定性组装和真菌群落的随机性组装，反映了它们在响应环境筛选压力方面的本质差异。

该研究的创新之处在于首次系统阐明了土地利用和植物基因型如何通过调控根鞘微生物组影响碳固存效率。研究结果为通过优化植物-土壤-微生物互作来提升土壤碳汇提供了理论依据，对可持续农业和气候变化 mitigation 策略制定具有重要启示意义。未来研究可结合同位素标记技术，进一步解析不同珍珠粟品系碳排泄和 priming 效应的差异，以及碳增益在更长生长周期中的动态变化。