生长阶段是影响仙人掌根际细菌群落中基因型及促植物生长细菌的主要因素

本研究评估了仙人掌品种Baiana和Doce在90和270天生长阶段及接种Bacillus subtilis和Paenibacillus sp.后的根系微生物多样性、组成和富集。结果表明，生长阶段显著影响微生物组结构，而品种和接种的影响较小。半干旱土壤典型菌群如Actinobacteriota、Proteobacteria和Firmicutes占主导，接种细菌在270天时特定菌群富集。

　　
### 仙人掌根系微生物群落的动态特征与影响因素分析

#### 研究背景与意义
在半干旱地区，仙人掌作为重要的饲料来源，其根系微生物群落结构对植物生长和适应极端环境具有关键作用。尽管已有研究探讨了不同仙人掌物种的微生物群落（如刺梨仙人掌、墨西哥仙人掌等），但针对Nopalea cochenillifera（即巴西仙人掌）的微生物生态研究仍较为缺乏。该物种因其高营养价值成为半干旱地区重要的饲料作物，但其根系与微生物的互作机制尚未明确。本研究聚焦于两种栽培品种（Baiana和Doce），通过接种芽孢杆菌属（Bacillus subtilis）和芽孢杆菌属（Paenibacillus sp.）等植物生长促进菌（PGPB），结合早期（90天）和成熟期（270天）的观测，旨在揭示植物生长阶段、品种差异及PGPB接种对根系微生物群落的综合影响。

#### 实验设计与方法
研究采用随机区组设计，包含三个主要因素：**生长阶段**（90天和270天）、**PGPB接种处理**（未接种、Bacillus接种、Paenibacillus接种）以及**品种差异**（Baiana和Doce）。每处理重复三次，共采集36份根系土壤样本。实验在巴西皮亚乌伊联邦大学校园进行，土壤类型为氧化土（Oxisol），pH值中性偏碱性，有机质含量较低，符合半干旱地区典型特征。

微生物检测采用16S rRNA基因测序技术。样本DNA提取使用PowerLyzer PowerSoil试剂盒，通过Illumina MiSeq平台进行高通量测序。原始数据经DADA2工具去噪和 chimera检测后，利用QIIME 2进行生物信息学分析，包括α多样性（Shannon指数、观测OTU数）、β多样性（PCAWilcoxon）及属水平富集分析（LEfSe）。

#### 关键发现
1. **生长阶段的主导作用**
PCA分析显示，90天和270天的微生物群落存在显著差异（PERMANOVA p<0.05），且成熟期（270天）的群落结构更易受PGPB接种影响。α多样性数据显示，90天时微生物丰富度和多样性显著高于270天（Shannon指数差异显著，p<0.001），可能与早期植物根分泌物更活跃有关。

2. **门水平组成特征**
群落中优势门类包括：**Actinobacteriota**（放线菌门）、**Proteobacteria**（变形菌门）、**Firmicutes**（芽孢杆菌门）、**Chloroflexi**（绿洲菌门）和**Acidobacteriota**（酸杆菌门）。其中，变形菌门和放线菌门在早期阶段占主导，而绿洲菌门和酸杆菌门在成熟期比例上升。Firmicutes（芽孢杆菌门）的丰度在两个阶段均保持稳定，表明其可能参与半干旱环境下的基础功能代谢。

3. **属水平富集规律**
- **90天阶段**：未接种组以**Streptomyces**（链霉菌属）、**Sphingomonas**（鞘氨醇单胞菌属）和**Bradyrhizobium**（根瘤菌属）为主；接种Bacillus后，**Nitrososphaeraceae**（硝酸盐单胞菌科）和**Candidatus Udaeobacter**（未培养属）显著富集。
- **270天阶段**：未接种组以**Sinomonas**（嗜硫菌属）、**Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia**复合群和**WWH38**（未培养属）为主；接种Paenibacillus后，**JG30-KF-CM66**（未培养属）、**Iamia**（未培养属）和**OLB14**（未培养属）丰度增加。
- **品种特异性**：Baiana品种在早期以**Gemmatimonas**（单胞菌属）、**Fimbriiglobus**（拟单胞菌属）为主，成熟期转向**Sumerlaea**（未培养属）和**Roseateles**（未培养属）；Doce品种在成熟期偏好**Tumebacillus**（未培养属）、**Azospirillum**（固氮菌属）和**Myxococcus**（粘菌属）。

4. **PGPB接种的微调效应**
接种Bacillus或Paenibacillus显著改变了成熟期（270天）的微生物组成，例如Bacillus接种组出现**Mycobacterium**（结核杆菌属）富集，而Paenibacillus接种组以**Rubellimicrobium**（未培养属）和**Ellin6067**（未培养属）为主。但接种对早期（90天）群落结构影响较小，可能与接种菌在成熟期的环境适应性更强有关。

#### 生态机制与理论贡献
1. **根分泌物驱动的微生物组装**
研究发现，早期阶段（90天）的微生物群落更趋多样性，这与植物初期高强度的糖类、氨基酸和有机酸（如柠檬酸、苹果酸）分泌相关。这些易分解化合物吸引了**Copiotrophes**（耗腐生菌）如**Streptomyces**和**Sphingomonas**，这些菌种通常具有快速定殖和分解有机物的能力。而成熟期（270天）的群落转向更耐旱的**Oligotrophes**（寡营养菌）如**Bacillus**和**Gaiella**，可能与植物根系分泌的酚类、木质素衍生物增加有关，这类复杂化合物更适合由放线菌门和芽孢杆菌门分解。

2. **半干旱土壤的微生物适应性**
研究确认了半干旱环境中常见的微生物类群（如放线菌门、变形菌门中的绿洲菌和酸杆菌门），并揭示了其随植物发育阶段的动态调整机制。例如，**Chloroflexi**（绿洲菌门）在成熟期的丰度上升，可能与土壤有机质矿化速率降低、耐旱菌类活动增强相关。这种群落结构变化与全球干旱区微生物生态学研究一致（Zhang et al., 2024）。

3. **PGPB接种的有限效应**
尽管PGPB接种在成熟期显著改变了部分属的组成（如**Bacillus**和**Gaiella**），但未对整体群落结构产生颠覆性影响。这可能与接种菌在本地土壤中已存在适应性种群有关，或与半干旱环境中微生物群落的强稳定性相关。研究进一步支持了“土壤微生物群落具有内在抗逆性”的理论，即外源菌的引入可能更多通过竞争或协同作用微调群落，而非完全重构。

#### 局限性及未来方向
1. **环境变量未完全控制**
研究期间降水量的季节性变化（图1）可能影响土壤湿度，进而影响微生物活性。未来需结合土壤湿度、养分动态等参数进行多因素协同分析。

2. **功能验证缺失**
当前研究仅通过16S测序分析群落结构，但未评估关键功能（如固氮、降解木质素）。建议结合宏基因组学或代谢组学，解析微生物功能对植物生长的实际贡献。

3. **长期效应与品种适应性**
仙人掌在270天的生长周期仅为成熟期的早期，未来需延长观测时间至两年周期，以评估微生物群落的完整演替规律及品种间适应性差异。

#### 实践应用与农业启示
1. **PGPB接种策略优化**
接种Bacillus或Paenibacillus对成熟期微生物群落的微调作用显著，但需进一步验证其对植物抗逆性（如抗旱、耐盐）的实际提升效果。建议结合根际微生态组学筛选高效菌株。

2. **品种选择与微生物互作**
Baiana和Doce品种在微生物群落组成上存在属级差异（如**Gemmatimonas**在Baiana早期占优），可能暗示不同品种的根系分泌物特征存在分化，需通过根际分泌物组学进一步探究。

3. **半干旱地区土壤管理**
研究表明，本土微生物群落对环境变化（如降水波动）具有较强适应能力。在农业实践中，应优先利用本土菌群，辅以特定功能菌的精准接种，而非全面依赖外源菌剂。

#### 结论
该研究首次系统解析了Nopalea cochenillifera两种栽培品种在不同生长阶段的根系微生物群落动态，揭示了**生长阶段**作为主导驱动因素，而**品种差异**和**PGPB接种**仅通过特定属的富集产生微调效应。研究证实了半干旱环境中微生物群落的“阶段适应性”特征，为仙人掌等耐旱作物的高效种植提供了微生物组学层面的理论依据，同时指出功能验证与长期观测的必要性。这一发现对理解干旱区植物-微生物互作机制、优化耐旱作物种植策略具有重要参考价值。