菌根周与菌丝周微域对土壤团聚体微生物组及养分循环的差异化调控机制

《Geoderma》：The rhizosphere and hyphosphere differentially regulate microbiomes and nutrient cycling within soil aggregates in an ectomycorrhiza-dominated forest

本研究针对外生菌根（EcM）森林中根际与菌丝周微域对土壤团聚体尺度微生物组及养分循环功能差异不清的问题，通过原位埋设不同孔径的根际盒进行分区采样，结合dPCR和高通量测序技术，揭示了菌根周与菌丝周微域通过选择性地富集特定功能微生物（如核心EcM真菌Sebacina和Laccaria），差异化调控碳（C）降解、氮（N）固定、磷（P）活化等关键生物地球化学过程，并塑造了不同的微生物共现网络结构。该研究为理解森林地下生态过程提供了微观尺度的新见解，对预测全球变化下生态系统C、N、P收支具有重要意义。

　　

在广袤的森林地下，存在着一个不为人知的隐秘世界。这里不仅是植物根系纵横交错的王国，更是数以亿计的微生物安居乐业的家园。它们悄无声息地驱动着碳、氮、磷等生命必需元素的循环，维系着整个森林生态系统的健康与平衡。然而，在这个黑暗的王国里，不同区域的环境条件千差万别，其中最引人注目的当属紧邻植物根系的“根际”和被菌根真菌菌丝所影响的“菌丝周”这两个特殊微域。尽管科学家们早已认识到根际和菌丝周是土壤中最为活跃的生物学热点，但在这两个微域内，特别是在不同大小的土壤团聚体中，微生物群落如何分布、如何相互作用，又如何影响养分循环过程，至今仍是未解之谜。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，如同土壤的“公寓楼”，为微生物提供了大小不一的居住空间。大团聚体（>2毫米）好比宽敞的“豪宅”，孔隙发达，氧气充足；而微团聚体（<0.25毫米）则像紧凑的“单身公寓”，环境相对封闭稳定。不同大小的团聚体创造了物理、化学性质各异的微环境，从而可能孕育出功能迥异的微生物群落。理解根际和菌丝周效应如何与团聚体结构相互作用，对于揭示森林地下生态过程的微观机制至关重要。

为了解开这一谜团，一项发表在《Geoderma》上的研究为我们带来了新的曙光。研究人员在我国青藏高原东部的巴郎山冷杉林中展开了一项为期三年的野外实验。他们巧妙地使用了不同孔径的根际盒（1微米、48微米和2毫米）来区分研究大土体、仅允许菌丝通过的菌丝周以及根菌共存的根际区域的土壤。通过对不同大小团聚体（大团聚体、小团聚体和微团聚体）中的微生物群落进行高通量测序，并利用数字PCR（dPCR）技术定量了与碳、氮、磷循环相关的15个功能基因的丰度，构建了微生物共现网络，从而系统揭示了根际和菌丝周在团聚体尺度上对微生物组和养分循环的差异化调控机制。

本研究主要运用了野外原位根际盒埋设技术进行微域分区采样，通过湿筛法分离不同粒径的土壤团聚体，采用数字PCR（dPCR）定量微生物功能基因丰度，利用Illumina HiSeq平台对16S rRNA和ITS基因区域进行高通量测序分析微生物群落结构，并基于Spearman相关性构建微生物共现网络以分析群落互作关系。

3.1. 根际和菌丝周土壤的理化性质

根系和菌丝的生长促进了大型团聚体的形成，而菌丝的单独作用显著增加了微团聚体的数量。菌丝周土壤的pH值显著高于根际和本体土壤。根际的铵态氮（NH₄⁺-N）浓度显著较高，而硝态氮（NO₃^–-N）浓度在根际和菌丝周均降低。有效磷（AP）和土壤有机碳（SOC）在菌丝周中普遍较低。随着团聚体尺寸减小，pH、NH₄⁺-N和NO₃^–-N增加，而AP则呈现相反趋势。

3.2. 根际和菌丝周土壤中养分循环功能基因丰度的变化

与碳降解和反硝化作用相关的基因丰度在菌丝周更高，而与无机磷 solubilization（活化）和有机磷矿化（mineralization）相关的基因丰度在根际显著更高。固氮基因（nifH）在根际和菌丝周均增加，而氨氧化作用（ammoxidation）则减弱。总体而言，养分循环基因的总丰度在根际土壤中最高，且随着团聚体粒径减小而增加。

3.3. 根际和菌丝周微生物群落、功能群及其潜在驱动因子

真菌群落结构对根际和菌丝周效应的响应比细菌群落更为敏感。菌丝周中担子菌门（Basidiomycota）相对丰度显著增加，而子囊菌门（Ascomycota）和毛霉门（Mortierellomycota）减少。细菌群落结构主要受团聚体粒径大小的驱动。菌丝周细菌网络的复杂性、连通性和紧密度更高，而根际则塑造了更为中心化的真菌网络。

3.4. 微生物互作网络与关键物种

微生物共现网络以正相关关系为主。菌丝周增强了细菌网络的复杂性，而根际真菌网络的复杂性更突出。微团聚体中的微生物网络复杂性高于大团聚体。核心外生菌根（EcM）真菌Sebacina在根际和菌丝周中持续富集，并被识别为关键物种（keystone taxon）。Laccaria在菌丝周中为关键物种，而Mortierella在根际中为关键物种。

该研究得出结论，根际和菌丝周微域对土壤团聚体中的微生物组和养分循环功能基因产生了对比鲜明的影响。根际更倾向于参与微生物介导的氮、磷循环，而菌丝周则倾向于促进碳的降解。这些功能差异受到团聚体介导的土壤理化性质（如pH值和底物形态）变化的驱动。在微生物互作方面，根际对于稳定真菌网络至关重要，而菌丝周则使细菌网络变得不稳定。尤为重要的是，与根际和菌丝周效应相比，团聚体粒径对细菌群落的影响更大。

核心外生菌根真菌Sebacina（一种接触-短距离探索型真菌）在根际和菌丝周中持续富集，表明其在氮限制的森林中具有重要的生态功能。通过识别这些关键微生物类群，该研究为理解森林地下生态过程的微观机制提供了新的视角，强调了在预测变化环境下生态系统碳、氮、磷收支时，需要考虑根际和菌丝周微生物组及其关键类群的 contrasting effects（对比效应）。这些发现对于通过保护亚高山森林中的核心外生菌根真菌来维持生态可持续性提供了潜在的途径，具有重要的理论和实践意义。