解码豆科绿肥植物紫云英（Astragalus sinicus）在叶圈-根际连续体中的微生物组成及其环境驱动因素

《Environmental Microbiome》：Decoding the microbial assembly and environmental drivers along the phyllosphere-rhizosphere continuum of leguminous green manure Astragalus sinicus

紫花苜蓿根际、叶面及土壤微生物组研究揭示Proteobacteria主导，Mesorhizobium在根部富集，叶面微生物多样性更高，土壤养分（TN、OC、AP、AK）显著影响微生物组成，验证了植物-微生物互作在可持续农业中的作用。

　　本研究聚焦于一种广泛应用于东亚稻田的豆科绿肥植物——Astragalus sinicus（中文名：中华黄芪），旨在揭示其在植物不同部位（如根部、叶片和土壤）所形成的微生物群落结构及生态组装机制。绿肥植物不仅在提升土壤肥力、改善土壤健康和促进养分循环方面发挥着重要作用，其与微生物之间的相互作用也在塑造植物整体微生物群落中占据关键地位。然而，目前对于绿肥植物微生物群落的组装过程和其功能特性，尤其是在根部与叶片这一植物-土壤连续体中的变化，仍缺乏系统性的研究。本研究通过采集中国七个水稻种植区的315个样本，分析了绿肥植物在不同植物部位和土壤环境中的微生物群落组成、网络结构及其与环境因素的相互关系，从而揭示了植物介导的微生物选择和土壤养分条件在绿肥植物微生物群落形成中的作用。

绿肥植物作为农业生态系统中的重要组成部分，其微生物群落不仅影响自身的生长发育，还对整个农田生态系统的稳定性和可持续性产生深远影响。例如，绿肥植物在生长过程中能够固定大气中的氮元素，减少对化学肥料的依赖，同时通过其根系分泌物和结构特征，为特定微生物提供生存环境，进而促进土壤微生物群落的多样性。此外，绿肥植物在分解后，其根系和叶片中的微生物会迁移到土壤中，参与土壤养分循环和有机质分解等过程。这些微生物的迁移和再分布不仅影响土壤微生物的组成，还可能对土壤的健康状况和作物产量产生积极影响。

在本研究中，通过对绿肥植物根部、叶片和土壤样本的16S rRNA基因扩增子测序，研究人员发现，根部微生物群落以Mesorhizobium（中华根瘤菌）为主导，占根部微生物群落的相对丰度高达75.85–96.93%。这一结果表明，根部微生物群落主要由与植物共生、具有固氮能力的微生物组成，而这些微生物的高丰度可能与其在植物根系中形成的特异性微环境密切相关。相比之下，叶片微生物群落表现出更高的多样性，其主要由Vibrionimonas、Pantoea、Pseudomonas和Bradyrhizobium等菌属构成。叶片作为植物暴露于外界环境的主要部位，其微生物群落更容易受到环境因素（如温度、湿度和光照）的影响，从而表现出较大的波动性。

通过构建微生物共现网络，研究团队进一步揭示了绿肥植物不同部位微生物群落的结构特征。土壤微生物网络呈现出较高的复杂性，但其连接性较弱，显示出环境驱动的广泛性特征。而叶片微生物网络则具有中等复杂度，表现出较强的模块化特征和高聚类系数，说明其在功能分化和局部凝聚力方面达到了平衡。相比之下，根部微生物网络较为简单，但表现出极高的稳定性，说明根部微生物群落可能受到植物介导的选择压力影响，从而形成一个功能性强且结构紧凑的微生物群落。这些网络结构的变化反映了植物不同部位微生物群落组装过程中的生态策略差异：土壤微生物群落倾向于扩展其生态位范围，叶片微生物群落则在功能分化和局部相互作用之间取得平衡，而根部微生物群落则通过严格的植物选择机制，形成了一个高度稳定的共生核心。

研究还发现，微生物群落的组装主要受到随机过程和植物介导的选择压力的共同影响。β-NTI（Beta Nearest Taxon Index）值的分布表明，根部和叶片微生物群落的组装更倾向于随机扩散过程，而土壤微生物群落则更受环境条件（如土壤养分和pH值）的主导。这一发现支持了植物内部环境相对稳定，而土壤环境更具异质性，从而影响微生物群落的多样性。此外，研究团队通过FEAST（微生物来源追踪）分析，揭示了土壤与植物内部微生物之间的双向流动。土壤中的微生物是根部和叶片微生物群落的主要来源，而叶片微生物在一定程度上也能反向影响土壤微生物的组成，表明植物与土壤之间存在复杂的微生物交换过程。

从功能角度来看，研究发现某些核心微生物群落（如Mesorhizobium和Methylobacterium-Methylorubrum）在绿肥植物的不同部位中具有重要的生态功能。例如，Mesorhizobium在根部表现出极高的丰度，其主要功能是固氮，有助于提升土壤氮素含量，进而促进后续作物的生长。而Methylobacterium-Methylorubrum则在叶片中发挥重要作用，不仅参与氮素循环，还能通过代谢甲醇和甲基化化合物，帮助植物减少这些物质对细胞的潜在伤害。此外，该菌属还具有促进植物生长的特性，如合成植物激素（如生长素、赤霉素和细胞分裂素），这表明其在植物健康和生态功能中具有重要作用。

研究还探讨了土壤养分条件对绿肥植物微生物群落的影响。土壤中的总氮（TN）、有机碳（OC）、有效磷（AP）和有效钾（AK）等参数被发现是影响根部和叶片微生物群落组成的关键环境因子。其中，根部微生物群落与土壤中的总氮和有机碳表现出显著的正相关关系，而叶片微生物群落则更受土壤有效磷和有效钾的影响。这些发现强调了土壤养分条件在植物微生物群落形成中的关键作用，同时也表明不同植物部位的微生物群落对养分条件的响应存在差异。例如，根部微生物群落更依赖于氮和碳的供应，而叶片微生物群落则对磷和钾的需求更为敏感。

此外，研究还发现，种植历史对绿肥植物微生物群落的多样性具有显著影响。长期种植绿肥植物可能促进某些特异性微生物的富集，从而减少微生物群落的多样性。这种现象可能反映了植物对特定微生物的选择性，使得微生物群落逐渐适应其生长需求。然而，这种选择性也可能导致某些功能微生物的缺失，从而影响植物的健康和生态功能。因此，如何在长期种植过程中维持微生物群落的多样性，可能是未来农业可持续发展的重要课题。

综上所述，本研究揭示了绿肥植物在不同植物部位和土壤环境中的微生物群落结构及其生态组装机制。通过分析微生物群落的多样性、共现网络和功能特性，研究团队不仅明确了土壤养分条件在微生物群落形成中的关键作用，还揭示了植物介导的选择压力对微生物群落的影响。这些发现为优化绿肥植物种植策略、提升土壤健康和作物产量提供了重要的理论依据和实践指导。未来的研究可以进一步探讨微生物群落的动态变化及其对农业生态系统的长期影响，从而推动微生物在农业中的应用和发展。