空间与土壤因子驱动下中国北方蒙古百里香根际微生物组成及共现网络的差异性研究

《Applied Soil Ecology》：Space and soil drive differences in the rhizosphere microbial composition and co-occurrence network of Thymus mongolicus in Northern China

本研究针对蒙古百里香(Thymus mongolicus)根际微生物地理分布格局研究不足的问题，通过采集中国北方20个区域的根际土壤样本，结合16S和ITS测序技术，系统分析了东西部地区根际微生物群落组成差异及其驱动机制。结果表明：东部地区根际真菌多样性显著高于西部(p<0.05)，且真菌群落更受经纬度等空间因子影响，而细菌群落主要受TP、pH等土壤因子调控；微生物共现网络分析显示东部网络模块性和拓扑参数更高。该研究首次证实蒙古百里香根际微生物符合距离衰减模型，为大尺度根际微生物地理分布研究提供了重要理论依据。

　　

在广袤的中国北方草原上，一种名为蒙古百里香(Thymus mongolicus)的芳香植物正悄然发挥着重要的生态功能。这种具有匍匐生长特性和发达不定根的植物，不仅能够有效保持水土，还在退化草地恢复中展现出独特价值。然而，长期以来人们对蒙古百里香的研究多集中于群落特征或化感作用，对其根际这一"微生物热点区域"的关注相对不足。特别是在大尺度地理范围内，蒙古百里香根际微生物的分布规律及其与环境因子的互作机制仍是一片亟待探索的科学盲区。

根际作为植物与土壤物质交换的关键界面，其微生物群落对植物生长、养分吸收和抗逆性都具有重要影响。芳香植物如百里香通过根系分泌的特殊次生代谢产物，能够招募特定的微生物群落，形成独特的根际微生态系统。研究表明，植物在生长季会将30-50%的光合作用固定碳通过根系分泌物释放到土壤中，这些碳源为根际微生物提供了丰富的营养基础。然而，由于大尺度采样研究的缺乏，我们对于蒙古百里香根际微生物的地理分布格局及其驱动因素知之甚少。

在这一研究背景下，内蒙古大学米文涛研究员团队在《Applied Soil Ecology》上发表了最新研究成果。该研究通过系统采集中国北方20个区域的蒙古百里香根际土壤样本，综合运用高通量测序技术和多元统计分析，首次揭示了大尺度下蒙古百里香根际微生物的地理分布规律。

关键技术方法

研究团队于2024年6月在中国北方20个区域采集蒙古百里香根际土壤样本，每个区域随机选取5株健康植株，将根际土壤混合后分为5个技术重复。采用16S rRNA基因V3-V4区和ITS2区进行扩增子测序，使用SILVA和UNITE数据库进行物种注释。通过α多样性分析、β多样性计算、Mantel检验、方差分解分析等方法探究微生物群落与环境因子的关系，并利用iCAMP包分析群落组装过程，基于Spearman相关构建微生物共现网络。

东西部环境因子比较

研究发现东西部地区在土壤和气候因子方面存在显著差异。西部地区的总磷(TP)和年均温(MAT)显著高于东部，而东部地区的速效磷(AP)、碱解氮(AN)和速效钾(AK)含量显著高于西部。土壤有机碳(SOC)、pH、容重(BD)、含水量(WC)和年均降水(MAP)在东西部间无显著差异。

物种组成与多样性分析

根际真菌群落主要以子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)等为主，东部地区主要真菌组分的相对丰度较高。细菌群落则以变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)等为主，西部地区主要细菌组分的相对丰度较高。东部地区根际真菌的香农指数和辛普森指数均显著高于西部，而细菌多样性仅在辛普森指数上表现出显著差异。β多样性分析显示，东部地区根际细菌和真菌群落的β多样性均显著高于西部。

群落组装过程

真菌群落的组装过程中，扩散限制(dispersal limitation)占比最高，显著超过其他四个过程；而细菌群落则以同质选择(homogeneous selection)为主导过程。东西部比较发现，真菌群落的四个组装过程和细菌群落的五个组装过程均存在显著差异。

微生物与环境因子相关性

真菌群落组成与土壤理化性质无显著相关，但与经度、纬度、海拔显著相关；细菌群落则与TP、pH、BD等土壤因子显著相关。方差分解分析表明，纬度、经度和MAT对真菌的贡献率较高，而TP、pH和AK对细菌的贡献率较高。

群落相似性与地理距离

真菌群落相似性较低，细菌群落相似性较高。距离衰减模型显示，虽然真菌和细菌群落相似性均与地理距离呈显著负相关，但真菌群落的衰减斜率更大，表明其受地理距离的影响更强。

微生物共现网络比较

东部微生物共现网络具有1645个节点和34570条边，主要分为4个模块；西部网络则有1339个节点和31982条边，主要分为3个模块。东部网络的模块性和复杂性更高，正相关连接比例也显著高于西部。在网络互作类型中，真菌-真菌连接占比最大(>50%)，其次是细菌-真菌和细菌-细菌连接。

研究结论与意义

该研究首次系统揭示了中国北方蒙古百里香根际微生物的大尺度地理分布格局。研究发现，根际真菌和细菌对环境因子的响应存在明显差异：真菌更易受稳定的空间因素(如经纬度、海拔)影响，而细菌则主要受土壤因素(如TP、pH)调控。这一差异与两类微生物的生态位宽度和适应策略密切相关——真菌具有较窄的生态位，对环境变化的响应较慢，其群落组装以扩散限制为主导；而细菌凭借广泛的生态位和快速适应能力，其群落组装主要受同质选择控制。

研究还发现，东西部地区微生物共现网络存在显著差异，东部网络具有更高的模块性和拓扑参数，这表明在养分条件较好的东部地区，微生物间存在更强的互惠共生关系。而在资源受限的西部地区，微生物间则表现出更多的拮抗关系。这一发现为了解不同生境下微生物互作网络的生态功能提供了新视角。

该研究的创新之处在于将生物地理学理论应用于根际微生物研究，证实了距离衰减模型在根际微生物中的适用性。研究成果不仅深化了我们对植物-微生物-环境互作机制的理解，也为利用根际微生物促进退化草地恢复提供了理论依据。未来研究若能结合植物基因型、代谢组学等多组学数据，将有望更全面地揭示根际微生物群落形成的深层机制。

需要注意的是，本研究主要关注了环境和土壤因子对微生物群落的影响，尚未涉及植物基因型在根际微生物招募中的作用。不同地理环境下植物基因型的差异可能导致根系分泌物组成变化，这也是塑造根际微生物群落差异的重要因素，值得在后续研究中加以关注。