细菌广食性和专食性菌在盐碱土壤修复中的组装模式及其功能角色

《Environmental Microbiology Reports》：Assembly Patterns and Functional Roles of Bacterial Generalists and Specialists in the Remediation of Saline–Alkali Soils

盐碱土微生物群落对有机肥和水稻-旱作轮作修复的响应机制研究，采用高通量测序和生态网络分析，发现有机肥和轮作均显著提高有益菌（Bacteroidota、Acidobacteriota、Firmicutes）丰度，增强群落多样性（Shannon指数增加6.2%-13.5%）。功能分析显示抗生素合成通路（ansamycin、vancomycin）在修复土壤中富集，网络互作显示 specialists 的 intra-group 连接性增强（占比55.8%-87.6%），而 generalists 的 niche breadth 扩展（0.32-0.43）。环境驱动模型证实土壤 salinity（-2.3 dS/m）和 pH（降低0.6-0.8）是群落结构的主导因子。生态位分化机制与 functional redundancy 共同作用，使修复土壤的微生物网络更稳定（modularity 0.76-0.84）。

　　在全球范围内，盐碱土壤覆盖了数千万公顷，严重限制了农业生产力。尽管已经尝试了多种修复策略，但微生物群落对这些干预措施的适应性响应仍不明确。本研究探讨了不同修复处理下盐碱土壤中微生物群落的响应机制，重点关注多样性模式、群落组装机制、网络互动和功能角色。实验采用随机区组设计，设置三种处理：未处理的盐碱土壤（SA）、稻田—旱地轮作（PUR）和有机肥（OF）施用。结果表明，PUR和OF处理显著增加了*Bacteroidota*、*Acidobacteriota*和*Firmicutes*的相对丰度，显示出有益微生物的富集趋势。专业型微生物（specialists）与其他微生物物种的连接性高于广谱型微生物（generalists），强调了它们在维持原生微生物群落稳定性和增强盐碱胁迫抵抗力中的作用。在SA和PUR土壤中，专业型微生物的群落组装主要由确定性过程主导，而在其他情况下，广谱型和专业型微生物的组装则更多由随机性过程决定。这些发现揭示了微生物广谱型和专业型在土壤适应中的不同但互补的作用，并突显了改良措施如何塑造微生物群落的结构和功能。我们的研究结果提供了关于微生物在盐碱土壤修复中的机制性见解，为可持续土壤修复策略提供了科学依据。

盐碱土壤的形成与多种环境因素有关，如高可溶性盐分浓度和pH值超过8.5等，这些因素破坏了土壤的物理、化学和生物特性。盐碱土壤不仅影响水分渗透和通气性，还会改变养分循环、抑制微生物活性并限制作物生长，导致每年的产量损失高达13%至58%。更令人担忧的是，预测显示到2050年，全球近一半的耕地可能会受到盐碱化的影响。因此，有效管理盐碱土壤对于缓解产量损失和确保可持续粮食生产至关重要。当前的修复策略主要依赖于有机改良和水资源管理措施，这些措施能够通过增加有机质含量、提高养分可利用性和促进盐分淋洗来改善土壤肥力。此外，可持续的耕作系统，如稻田—旱地轮作（PUR），已被证明在平衡脱盐、提高水分利用效率和改善产量方面具有潜力，因此成为越来越广泛采用的盐碱土壤管理措施。

本研究的焦点在于揭示盐碱土壤中微生物群落的生态组装和功能角色。通过高通量16S rRNA基因测序，我们分析了不同处理下的土壤微生物群落组成。结合共现网络分析，我们使用归一化随机性比率（NST）和中性群落模型（NCM）揭示了微生物群落组装背后的生态策略和互动模式。研究重点包括：（i）在盐碱胁迫下，广谱型和专业型微生物的组成与特征；（ii）它们的组装机制和网络结构；（iii）微生物功能的稳定性及其对盐碱条件的适应性。研究结果提供了微生物如何适应环境胁迫的机制性理解，并为基于微生物组的土壤修复策略提供了指导。

研究地点位于中国江苏省南通市，该地区具有亚热带季风气候，气候温和，季节变化明显。长期平均气温约为15.1°C，年降水量为1084毫米，年蒸发量为857毫米。两个实验地点被选为研究对象：通州湾和如东决居垦区。这些地点均参与了自2010年开始的长期土地恢复项目，重点包括土壤改良、耐盐作物品种开发和可持续农业实践的实施。通州湾采用了稻—旱作物轮作系统，以促进季节性排水和干燥耕作，增强根系发育。同时，结合微喷灌系统，以调节土壤水分和盐分水平。相比之下，如东决居垦区采用了生物有机肥（OF）施用（3吨/公顷）和深耕技术，以促进脱盐和恢复土壤肥力。

为了系统分析土壤微生物群落的响应，研究采用了随机采样模式，在每个实验地点随机采集六个土壤柱（0-20厘米深度），并混合成一个代表性样本（每块地0.5-2.5千克）。土壤样本在冷却条件下运输至实验室，部分样本在4°C下储存以进行DNA提取和高通量测序，其余样本则在空气中干燥、均质化和过筛（<0.25毫米）以进行物理化学分析。通过高通量测序，我们获取了原始fastq文件，并根据条形码信息使用内部perl脚本进行解复用。解复用过程中，遵循以下标准：（i）所有质量得分低于20的250碱基对读取均在10碱基对滑动窗口内截断，删除长度小于50碱基对的截断读取；（ii）精确条形码匹配、引物匹配允许两个核苷酸差异以及包含模糊字符的读取均被去除；（iii）仅保留重叠长度超过10碱基对的读取，并根据重叠序列进行拼接，未拼接的读取则被丢弃。

为了分析微生物群落的组装机制，我们计算了确定性和随机性过程的相对贡献。通过NST框架，我们比较了实际群落差异与随机组装模型下的预期差异，以量化随机性的影响。NST值越高，表明随机性过程的主导作用越强。同时，应用NCM模型进一步评估随机性在塑造原生微生物群落中的作用。该模型假设生态中性，通过计算分类单元（OTU）频率与相对丰度之间的关系，以评估随机性对群落组装的贡献。模型拟合度通过决定系数（R2）进行评估，R2值越高，表明随机性过程对群落组装的影响越强。迁移参数Nm，即群落大小（N）和迁移率（m）的乘积，用于表示分类单元在不同群落间的扩散能力。通过NST和NCM的结合分析，我们揭示了确定性选择与随机性扩散之间的平衡关系。

在盐碱土壤中，微生物群落的组装过程受到强的非生物胁迫影响，这种影响加剧了环境筛选，导致微生物群落结构和功能的显著差异。广谱型微生物具有广泛的环境适应能力，其组装主要由随机性过程主导，有助于维持群落结构并支持植物生长。相比之下，专业型微生物占据狭窄的生态位，其组装过程则增强了胁迫适应性特征，如渗透调节和抗菌物质的产生，直接保护植物。这些互补的微生物类群通过生态位分化和协作互动，增强了植物在盐碱胁迫下的耐受性和生产力。尽管它们在土壤修复中发挥着关键作用，但大多数研究仅关注总体多样性或功能基因丰度，忽略了广谱型和专业型微生物丰度、组装与植物表现之间的生态和功能联系。阐明这些关系对于预测微生物对土壤韧性的贡献和设计基于微生物组的可持续作物生产策略至关重要。

为了深入探讨微生物群落的生态组装和功能角色，我们分析了不同农业管理措施下的微生物组成。研究使用高通量16S rRNA基因测序技术，对未处理和修复后的土壤微生物群落进行了系统分析。通过共现网络分析，我们揭示了微生物群落组装背后的生态策略和互动模式。研究重点包括：（i）在盐碱胁迫下，广谱型和专业型微生物的组成和特征；（ii）它们的组装机制和网络结构；（iii）微生物功能的稳定性和对盐碱条件的适应性。结果表明，不同的土地管理措施，特别是有机肥施用和稻田—旱地轮作，显著改变了土壤微生物群落的组成和多样性。*Proteobacteria*在所有处理中都占据主导地位，而改善后的土壤条件促进了微生物多样性。

为了进一步分析微生物群落的生态功能，我们预测了微生物群落的代谢途径和潜在生态功能。在KEGG分类中，我们识别了五个主要的代谢类别：细胞过程、环境信息处理、生物系统、人类疾病和遗传信息处理。与对照土壤（SA）相比，改善后的土壤（PUR和OF）中，这些类别中的相对丰度发生了变化。例如，细胞过程和环境信息处理的相对丰度在改善后的土壤中降低，而生物系统的相对丰度增加。这表明土壤改良措施增强了微生物的代谢潜力，支持了生态系统健康。进一步的KEGG三级代谢途径分析显示，改善后的土壤中，与抗生素生物合成相关的途径显著增加，而与C5支链二元酸代谢相关的途径减少。由于C5支链二元酸代谢途径与耐盐微生物的应激反应有关，其减少表明盐碱胁迫的缓解。相反，抗生素生物合成途径的富集可能反映了微生物竞争的增加和生态复杂性的提升，从而增强土壤的恢复能力。这些化合物还被证明能够抑制土壤病原体并支持有益微生物群落。有机肥的施用显著增强了微生物群落的功能多样性（Shannon指数）与对照土壤相比（p<0.001），表明养分的丰富促进了更广泛的微生物功能，从而改善了土壤质量。微生物共现网络分析显示，改善后的土壤中存在更多的正相关微生物群落，表明协同互动的增强和网络稳定性的提升。这些变化可能源于微生物互动结构的转变，从SA土壤中的竞争主导转变为改良土壤中的合作主导。这种转变促进了资源共享和功能互补，从而形成更稳定和有韧性的微生物生态系统。有趣的是，共现网络显示专业型微生物在群落内部保持了强的连接性，这进一步强调了它们在维持核心群落功能和增强胁迫适应性中的作用。这些微生物在生态中充当“锚点”，提供对环境波动的抵抗力，并支持群落的完整性。

通过结构方程模型，我们进一步确认了广谱型和专业型微生物的多样性对SA土壤中整体功能多样性的显著影响，这突显了它们在生态群落组装中的互补作用。广谱型和专业型微生物在生态功能上具有不同的但协同的作用。广谱型微生物促进了核心代谢功能和群落多样性，而专业型微生物则执行特定的生态位功能，如离子调节和胁迫适应。这些群落的共存和互动促进了生态平衡，增强了生态系统稳定性，并加速了退化环境的恢复。这些发现表明，针对土壤改良的策略，特别是那些提高养分输入和减少盐碱胁迫的措施，能够重塑微生物群落，丰富其功能潜力，并推动土壤生态系统从耐胁迫向健康促进的转变。

研究的发现对于理解微生物如何在盐碱土壤修复中发挥关键作用具有重要意义。土壤改良措施，如稻田—旱地轮作和有机肥施用，不仅改变了微生物群落的组成，还通过选择具有有益或抗胁迫特性的微生物群落，增强了微生物的生态功能。尽管微生物群落的组成发生了变化，但专业型微生物的多样性在不同处理中保持稳定，而广谱型微生物则在改善后的土壤中表现出显著的多样性。这可能反映了改善后的土壤条件，如更高的养分可利用性和更低的盐碱浓度，为广谱型微生物提供了更适宜的生存环境，而专业型微生物则依赖于特定的生态位，因此对环境变化的响应较为有限。KEGG通路分析显示，土壤改良措施增强了微生物的代谢功能，特别是那些与生态系统健康相关的功能。具体来说，改善后的土壤中，与抗生素生物合成相关的通路显著增加，而与C5支链二元酸代谢相关的通路减少。由于C5支链二元酸代谢通路与耐盐微生物的应激反应有关，其减少表明盐碱胁迫的缓解。相反，抗生素生物合成通路的富集可能反映了微生物竞争的增加和生态复杂性的提升，从而增强土壤的恢复能力。这些化合物还被证明能够抑制土壤病原体并支持有益微生物群落。有机肥的施用显著增强了微生物群落的功能多样性（Shannon指数）与对照土壤相比（p<0.001），表明养分的丰富促进了更广泛的微生物功能，从而改善了土壤质量。微生物共现网络分析显示，改善后的土壤中存在更多的正相关微生物群落，表明协同互动的增强和网络稳定性的提升。这些变化可能源于微生物互动结构的转变，从SA土壤中的竞争主导转变为改良土壤中的合作主导。这种转变促进了资源共享和功能互补，从而形成更稳定和有韧性的微生物生态系统。有趣的是，共现网络显示专业型微生物在群落内部保持了强的连接性，这进一步强调了它们在维持核心群落功能和增强胁迫适应性中的作用。这些微生物在生态中充当“锚点”，提供对环境波动的抵抗力，并支持群落的完整性。

结构方程模型进一步确认了广谱型和专业型微生物的多样性对SA土壤中整体功能多样性的显著影响，这突显了它们在生态群落组装中的互补作用。广谱型和专业型微生物在生态功能上具有不同的但协同的作用。广谱型微生物促进了核心代谢功能和群落多样性，而专业型微生物则执行特定的生态位功能，如离子调节和胁迫适应。这些群落的共存和互动促进了生态平衡，增强了生态系统稳定性，并加速了退化环境的恢复。这些发现表明，针对土壤改良的策略，特别是那些提高养分输入和减少盐碱胁迫的措施，能够重塑微生物群落，丰富其功能潜力，并推动土壤生态系统从耐胁迫向健康促进的转变。