植物根际土壤真菌功能群多样性及网络动态的对比研究：从病原积累到菌根衰退的生态演变

《Microbial Ecology》：Contrasting Diversity and Network Dynamics of Soil Fungal Functional Groups in the Plant Rhizosphere

本研究针对植物根际土壤真菌功能群动态机制不清的问题，通过追踪不同年限农田中病原真菌、菌根真菌和腐生真菌的丰度、多样性及网络互作，发现随着种植年限增加，病原真菌相对丰度上升而菌根真菌显著下降，腐生真菌保持稳定。该研究揭示了连续耕作下土壤真菌功能群的演变规律，为农业土壤微生物管理提供了理论依据。

　　

在城市化快速发展的今天，都市农业作为粮食安全的重要补充形式正受到越来越多关注。然而，连续耕作导致的土壤退化问题日益凸显，其中土壤微生物组的变化被认为是影响作物健康的关键因素。土壤中的真菌通过不同功能群扮演着重要角色：病原真菌引发植物病害，菌根真菌与植物形成互利共生关系，而腐生真菌则负责有机质分解。尽管这些功能群对生态系统功能至关重要，但人们对它们在植物根际共存的动态变化规律却知之甚少。

发表在《Microbial Ecology》上的这项研究，通过分析美国俄亥俄州切斯特兰市一个都市农场中不同种植年限的草莓田，揭示了根际土壤真菌功能群的演变规律。研究人员选择了四个种植年限不同的草莓田（2016-2019年定植），在2021年和2022年连续采集根际土壤样品，利用高通量测序技术分析了三种主要真菌功能群（推定植物病原真菌、菌根真菌和腐生真菌）的动态变化。

主要技术方法

研究团队采集了4个不同种植年限草莓田的根际土壤样本（2021-2022年共95份），采用CTAB法提取土壤微生物DNA，通过ITS1f-ITS2引物进行真菌ITS区扩增和Illumina MiSeq测序。使用DADA2流程处理序列并获得扩增子序列变异（ASV），基于FungalTraits数据库进行真菌功能群注释。统计分析包括广义线性模型评估组间差异、PERMANOVA分析群落结构变异，以及基于Kendall相关的微生物网络构建。

Changes in the Relative Abundance and Richness of Fungal Functional Groups Among Fields

研究发现，随着种植年限增加，推定植物病原真菌的相对丰度显著上升，2017年定植的田块（Field C）中病原真菌丰度（0.16±0.02）显著高于2019年定植的田块（Field A，0.08±0.03）。从2021年到2022年，年轻田块（Field A）中病原真菌丰度进一步增加，而老田块中保持稳定。相反，菌根真菌表现出明显的下降趋势，2016年定植的老田块（Field D）中菌根真菌丰度（0.03±0.03）显著低于年轻田块（Field A，0.15±0.03），且所有田块在2022年都出现显著下降。腐生真菌的相对丰度在各田块间保持稳定。

在丰富度方面，病原真菌和腐生真菌的ASV数量在不同田块间无显著差异，而菌根真菌丰富度在老田块中显著降低，且从2021年到2022年持续下降。

Changes in the Community Structure of Fungal Functional Groups Among Fields

群落结构分析显示，病原真菌在年轻田块与老田块间存在显著差异。年轻田块（A、B）与老田块（C、D）的病原真菌群落结构在2021年和2022年均有明显区别，其中老田块中Olpidaster含量较高，而年轻田块中Pilidium从2021到2022年增加。菌根真菌群落以Rhizophagus为主，在各田块间无显著差异，但老田块中菌根关联明显减少。腐生真菌群落结构在年轻田块与老田块间也存在差异，主要包含Leotiomycetes、Agaricomycetes、Sordariomycetes和Dothideomycetes等类群。

Variation in Microbial Networks Among Fields

微生物相关性网络分析发现，根际真菌网络以正相关连接为主。菌根真菌-菌根真菌的连接比例在老田块中下降，且从2021年到2022年持续减少，这与菌根真菌丰度和丰富度的下降一致。相反，腐生真菌-腐生真菌的连接比例从年轻田块到老田块增加，并在2022年继续上升。病原真菌-病原真菌的连接比例在各田块和年份间保持相对稳定。

Similar Fungal Functional Groups Among Plant Genotypes

尽管草莓基因型在抗病性上存在差异，但各基因型根际的三种真菌功能群的相对丰度、丰富度和群落结构均无显著差异。然而，大多数基因型（Allstar、DaRoyal、DarSelect、Earliglow）的菌根真菌从2021年到2022年都出现了显著下降。

研究结论与意义

该研究揭示了连续耕作条件下根际土壤真菌功能群的对比动态：病原真菌随时间积累，菌根真菌显著衰退，而腐生真菌保持相对稳定。这种变化导致了微生物网络的重新配置，菌根真菌网络连接减少而腐生真菌连接增加。研究结果支持了病原积累假说和互利共生衰退理论，为理解农业生态系统中土壤微生物组的长期演变提供了重要见解。

研究发现对都市农业的可持续发展具有重要启示。老田中菌根真菌丰富度和网络连接的下降表明土壤互利共生潜力逐渐丧失，而病原真菌的积累则增加了植物病害风险。在土地资源有限的都市农场中，避免同一田块长期连续耕作、采用轮作制度以及基于微生物指标的土壤健康监测，对维持根际功能和作物生产力至关重要。

该研究的创新之处在于同时考虑了三种关键真菌功能群的动态变化及其网络互作，揭示了它们在不同时间尺度上的响应差异。研究结果不仅增进了对根际微生物生态学的理解，也为制定可持续农业管理策略提供了科学依据。都市农业系统作为"重复实验"平台，为研究实际生产条件下微生物群落组装和功能演变提供了独特机会。