桉树根际恢复力：长期人工林微生物多样性与代谢响应的多组学解析

《Microbiological Research》：Rhizosphere resilience: exploring microbial diversity and metabolic responses in long-term eucalyptus plantations

本研究针对桉树人工林土壤退化问题，通过宏基因组与非靶向代谢组技术，系统解析了不同经营模式（纯林/混交林、一代/二代林）下根际微生物群落结构、功能基因及代谢物的响应规律。研究发现混交林显著提升微生物多样性并优化碳（C）、氮（N）、磷（P）循环功能基因（如rbcL、phoP），而连作纯林导致微生物网络稳定性下降。研究揭示了代谢物（如氟轻松、棘囊酸）与元素循环功能的关联性，为近自然经营促进桉树林地土壤健康提供了理论依据。

　　

桉树因其生长迅速、适应性强且木材产量高，在全球范围内被广泛引种栽培，尤其在热带和亚热带地区成为重要的经济树种。然而，大规模单一树种连续种植也引发了诸多生态问题，如土壤肥力下降、微生物多样性减少以及土壤退化等，严重制约了人工林的可持续发展。为了应对这些挑战，林业实践中提出了近自然经营理念，例如引入固氮树种进行混交、调整轮作周期等，以期提升生态系统稳定性。然而，这些管理措施如何影响桉树根际这一关键微域中的微生物群落结构、功能及其与宿主代谢的相互作用，目前尚缺乏深入的理解。根际是植物根系直接影响的土壤区域，其中活跃的微生物群落和丰富的代谢产物共同构成了复杂的互作网络，对植物养分吸收、抗病性及土壤健康至关重要。因此，探究不同经营模式下桉树根际微生态系统的响应机制，对于制定科学的桉树人工林管理策略具有重要的理论和实践意义。相关研究成果发表在《Microbiological Research》上。

为深入探究上述问题，研究团队在广西凭祥的中国林业科学研究院热带林业实验中心设置了四种典型的桉树人工林样地：一代纯林（PF）、一代混交林（MF，桉树与Acacia mangium混交）、二代纯林（PS）和二代混交林（MS，桉树与Dalbergia odorifera混交）。在每个样地内设置重复样方，于2018年10月采集桉树细根及周边1毫米范围内的根际土壤样品。研究主要运用了宏基因组测序和非靶向代谢组学技术。通过Illumina NovaSeq 6000平台进行宏基因组测序，对高质量数据进行组装、基因预测和功能注释（基于KEGG、NR等数据库），分析了微生物群落结构、多样性以及碳、氮、磷循环相关功能基因的丰度。同时，利用超高效液相色谱-质谱联用技术进行非靶向代谢物检测，通过Progenesis QI软件处理数据，结合HMDB、Metlin数据库进行代谢物鉴定，并进行了通路富集分析。统计分析方法包括ANOVA、PCA、PLS-DA、ANOSIM以及微生物共现网络分析等，以揭示不同处理间的差异及其关联性。

3.1. 根际土壤微生物群落结构

Alpha多样性分析表明，混交一代林（MF）的微生物物种丰富度（Ace指数）显著高于二代纯林（PS）。上调和下调图显示，PF林招募的独有微生物物种数量最多，而PS林则出现独有物种的丢失。主成分分析进一步证实，PF林与PS林、PF林与MS林、PS林与MF林以及MF林与MS林之间的微生物群落结构存在显著差异。在门水平上，细菌以放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）为主，真菌则以子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）和毛霉门（Mucoromycota）为优势类群。值得注意的是，在养分相对贫乏的二代纯林（PS）中，与土壤磷循环密切相关的芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）相对丰度显著富集。

3.2. 微生物共现网络

微生物共现网络分析揭示了不同经营模式下微生物互作关系的差异。放线菌门在网络连接中占据主导地位。与一代纯林（PF）相比，二代纯林（PS）的网络边数显著减少，表明连作导致微生物网络的连通性和稳定性下降。相反，混交林（MF和MS）表现出更短的平均路径长度和较低的中间中心性，暗示其微生物网络具有更高的信息传递效率和“小世界”特性，微生物间的相互作用更为紧密和高效。

3.3. 根际土壤微生物群落功能

基于功能基因的分析显示，二代纯林（PS）的功能基因多样性（Simpson指数）高于一代纯林（PF）。主成分分析表明PS林与PF林、MF林在功能基因结构上形成明显区分。差异基因分析发现，PF林具有较高丰度的碳固定（如rbcL、ppc）和磷循环（如phoP、ppk2）相关基因，而PS林则富集了更多与氮循环（如nrtA、nrtB、nrtC、gdhA）及部分磷循环（如phnN, ugpB, ppgK）相关的基因。功能预测表明，与MF林相比，PS林的羟基丙酸双循环和有机磷矿化功能有所增强。

3.4. 桉树根际土壤非靶向代谢组学

代谢物谱分析显示，不同经营模式下的根际土壤代谢物存在显著分离。PF林含有最多的独有代谢物。差异代谢物分析指出，PS林中2,4-二氯-6-硝基苯酚和PA(15:0/14:1(9Z))等代谢物水平升高，而氟轻松（fluocinolone）和利多卡因（lidocaine）水平降低。通路富集分析揭示，混交林（MF和MS）显著富集了核苷酸代谢等通路，MS林还富集了类固醇激素生物合成、苯丙烷生物合成和类黄酮生物合成通路，提示混交林根际土壤中微生物代谢活动更为活跃。

3.5. 微生物群落、功能与代谢物之间的关联

相关性分析揭示了代谢物与微生物功能之间的密切联系。代谢物氟轻松（fluocinolone）与碳、氮、磷循环的功能组分呈负相关，而棘囊酸（echinocystic acid）和贝齐曲胺（bezitramide）则呈正相关。此外，2,4-二氯-6-硝基苯酚和黄曲霉毒素B1（aflatoxin B1）等代谢物与微生物群落组成呈正相关，表明这些物质可能参与调控根际微环境。

研究结论与讨论部分强调，桉树人工林的经营模式显著影响其根际微生态系统。连续耕作（二代纯林）导致微生物多样性降低、群落结构简化、网络稳定性减弱，尽管可能激活了部分磷获取功能以应对养分胁迫，但整体上对土壤微生物群落健康产生了负面影响。相比之下，引入固氮树种的混交经营模式能够有效提升微生物多样性，增强微生物网络的复杂性和稳定性，并激活关键的代谢通路（如核苷酸代谢），从而优化根际生态位。研究首次通过多组学整合分析，揭示了根际代谢物（如氟轻松、棘囊酸）作为关键调节因子，与微生物群落结构及其驱动的碳、氮、磷循环功能存在密切关联。这些发现从微生物与代谢互作的视角，为近自然经营措施（如混交）能够缓解桉树连作障碍、促进土壤健康和维护人工林生态系统可持续性提供了有力的科学证据。未来研究可进一步关注蛋白质、大分子物质在根际微生态系统中的作用，以更全面地理解桉树根际的微观世界。