花生遗传多样性对AMF群落和固氮群落的正负响应

《Applied Soil Ecology》：Positive and negative responses of AMF community and diazotrophic community to peanut genetic diversity

本研究针对植物物种多样性对土壤微生物影响机制不清的问题，通过开展花生种内遗传多样性对丛枝菌根真菌(AMF)和固氮微生物群落影响的研究，发现AMF群落的α多样性增加、网络复杂性增强，而固氮群落的α多样性下降、网络结构简化。结果表明作物遗传多样性对土壤功能微生物群落具有差异化调控作用，为通过作物遗传多样性管理土壤生态系统提供了新见解。

　　

在地球生态系统中，地上植物与地下微生物世界之间存在着千丝万缕的联系。土壤微生物不仅是植物生长的默默支持者，更是维持生态系统稳定的关键角色。它们参与有机质分解、养分循环等重要过程，而植物则通过根系分泌物和根际环境调控来塑造微生物群落。然而，长期以来科学家们主要关注的是植物物种多样性对微生物的影响，对于同一物种内不同品种间遗传差异如何影响土壤微生物群落，特别是关键功能微生物群体，我们知之甚少。

这一知识空白限制了我们对农业生态系统中植物-微生物互作机制的深入理解。传统研究多集中于大尺度生态系统如草地、农田和森林，但这些环境中土壤特性和植物组成的高度异质性可能掩盖了植物多样性的真实效应。更为重要的是，作物种内遗传变异这一重要因素被相对忽视，而不同品种虽然共享相同的遗传背景，却可能因表型性状差异而对土壤微生物产生独特影响。

在这一背景下，河南大学的研究团队选择花生这一全球重要的豆科经济作物作为研究对象，在《Applied Soil Ecology》上发表了他们的最新发现。花生作为豆科植物，具有独特的生物固氮能力，且不同品种间存在显著的生理代谢差异，这为研究种内遗传多样性对土壤功能微生物的影响提供了理想模型。

研究团队采用了严谨的田间实验设计，在黄河冲积平原生态系统研究站建立了实验地块。他们选择了当地三个常见花生品种"鲁花"、"白沙"和"罗汉果"，设置了单品种种植、双品种间作和三品种间作三种处理。通过系统采集植物性状数据和根际样品，研究人员运用了Illumina NovaSeq高通量测序技术对丛枝菌根真菌(AMF)和固氮微生物(nifH基因)群落进行了深度分析。关键实验技术包括：田间试验设计（设置单作、双品种间作和三品种间作处理）、植物性状测定（根瘤数、生物量等）、DNA提取与扩增（针对AMF和nifH基因）、Illumina NovaSeq高通量测序、生物信息学分析（使用QIIME2进行α多样性、β多样性分析）、共现网络构建（使用SparCC方法）等。

研究结果揭示了令人惊讶的发现。从植物性状来看，间作两个或三个花生品种使花生根瘤数量增加了135%，地上生物量和地下生物量也分别增加了8%和11%，表明遗传多样性确实对花生生长产生了积极影响。

AMF群落结构

AMF群落主要由Glomus(56.7%)、Paraglomus(14.0%)等属组成。随着花生品种多样性的增加，Glomus的相对丰度显著升高，而Claroideoglomus和Scutellospora的相对丰度则降低。虽然品种多样性对AMF群落的α多样性影响不显著，但Chao1指数、Simpson指数等均呈现上升趋势。非度量多维尺度分析(NMDS)显示，单品种与多品种间作之间的AMF群落结构存在明显分离，且随着品种数增加，群落结构离散度降低，相似性提高。

固氮群落结构

固氮群落以Bradyrhizobium(57.2%)、Pseudacidovorax(34.2%)等为优势属。与AMF相反，固氮群落的α多样性随着花生品种多样性增加而呈现下降趋势，Chao1指数和Observed_species指数在单品种种植时显著高于三品种间作。群落结构分析表明，随着品种多样性增加，固氮群落结构的异质性增强，离散度增大。

共现网络分析

AMF共现网络分析显示，随着品种多样性增加，节点数和边数均显著增加（三品种间作比单作分别增加86%和185%），负相关性连接增加25%，网络复杂性增强。而固氮群落的共现网络则呈现相反趋势，节点数和边数减少（三品种间作比单作分别减少38%和37%），负相关性连接减少14%，网络结构趋于简化。

这些发现表明，AMF和固氮群落对花生遗传多样性表现出了截然不同的响应模式。讨论部分指出，这种差异可能源于两类微生物不同的生理功能和适应策略。AMF作为普遍共生的微生物，随着宿主多样性增加获得了更丰富的资源生态位，导致α多样性增加、群落结构趋同、网络复杂性和稳定性增强。而固氮微生物由于品种间竞争加剧，特化程度较高的固氮群落出现了多样性下降、群落结构异质性增强、网络结构简化和稳定性降低的现象。

这一研究的重要意义在于首次揭示了作物种内遗传多样性对土壤关键功能微生物群落的差异化调控作用，打破了"多样性促进多样性"的简单认知。研究结果表明，增加作物遗传多样性并非对所有土壤微生物都具有一致的促进作用，而是根据微生物群落的功能特征触发差异化调控。这一认识为通过作物遗传多样性来定向管理土壤生态系统提供了理论依据，对推动可持续农业发展具有重要指导价值。研究强调，种内遗传多样性是土壤功能微生物群落动态变化的关键驱动因子，这一发现将有助于优化农业种植模式，提高生态系统服务功能。