干旱胁迫下豇豆根际细菌群落的动态变化及其与基因型和生长阶段的关联研究

本研究针对全球干旱加剧威胁粮食安全的背景，探讨了两种豇豆基因型（EpicSelect4和UCR369）在不同生长阶段根际细菌群落对干旱胁迫的响应机制。通过整合Biolog EcoPlate代谢分析、16S rRNA测序和机器学习方法，发现干旱显著降低微生物代谢活性并诱导群落结构改变，其中UCR369表现出更强的代谢维持能力和Actinobacteriota富集特征。研究揭示了土壤酶活性（β-glucosidase/NAG）与微生物群落演替的关联，并鉴定出Streptomyces等关键抗旱菌属，为开发微生物组辅助育种策略提供了理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为威胁农业生产的首要非生物胁迫因素。据预测，到2050年美国干旱频率将显著增加，而豇豆作为起源于非洲干旱区的耐旱作物，其根际微生物组在抗旱机制中的作用尚不明确。现有研究多聚焦单一生长阶段或忽略基因型差异，且对微生物功能与植物生理的关联认识不足。针对这些空白，密西西比州立大学的研究团队在《Plant Stress》发表重要成果，系统解析了干旱胁迫下豇豆根际细菌群落的动态变化规律及其基因型特异性响应特征。

研究采用多组学整合策略：通过温室控制实验对两种基因型（ES4和UCR369）在4个关键生长阶段（V2/V4/R1/R4）实施14天干旱处理（土壤含水量0.13 m³
m^?3
）；利用Biolog EcoPlate分析群落碳代谢活性（AWCD指标）；结合16S rRNA扩增子测序（V4区，Illumina NovaSeq平台）解析微生物组成；采用随机森林分类（RFC）与SHAP值进行生物标志物挖掘；并通过冗余分析（RDA）关联土壤酶活性（β-glucosidase/NAG）与生理参数。

3.1 干旱驱动的碳代谢模式转变
Biolog分析显示干旱显著降低微生物代谢活性（AWCD下降），但UCR369维持更高活性。聚合物和胺类利用率提升（Tween 40/80利用率增加0.55倍），表明微生物转向复杂碳源利用以适应胁迫。

3.2 基因型主导的群落组装
α多样性分析显示UCR369的Shannon指数比ES4高13.7%（p<0.001），且在生殖阶段保持稳定。β多样性表明基因型解释11.8%的群落变异（R²
=0.118），显著高于干旱处理（2.9%）。Venn图揭示UCR369在干旱下特有ASV数多20%，体现更强的微生物招募能力。

3.3 关键菌群响应规律
Phylum水平上，干旱使Actinobacteriota相对丰度增加7%（log₂
FC=0.36），Proteobacteria下降3%。基因型差异显著：UCR369中Actinobacteriota占比从31%激增至43%，而ES4的Proteobacteria稳定在56-58%。

3.4 植物-微生物互作网络
RDA分析表明NAG酶活性（R²
=0.605）和株高与Actinobacteriota显著正相关。UCR369的微生物群落与气孔导度（gs）和蒸腾（E）强关联，暗示微生物通过调控水分利用效率增强抗旱性。

3.5 机器学习鉴定生物标志物
RFC-SHAP模型（AUC=0.87）锁定Actinobacteriota和Cyanobacteria为关键抗旱类群。DESeq2验证Streptomyces（Actinobacteria纲）在干旱组富集5倍，其ACC脱氨酶产生能力可能缓解乙烯胁迫。

该研究首次阐明豇豆根际微生物组对干旱的阶段性响应规律，揭示基因型UCR369通过富集Actinobacteriota（特别是Streptomyces）维持群落稳定性的独特机制。发现土壤酶NAG/BG活性与微生物演替的强相关性，为"微生物组-植物"协同抗旱提供了新证据。提出的RFC-SHAP分析框架实现了高通量数据的关键特征挖掘，鉴定的微生物标记物（如Ensifer）可用于抗逆品种选育。未来需结合代谢组学解析根分泌物对微生物组的调控机制，并将温室结论验证于田间复杂环境。这项成果为发展基于微生物组的智能农业技术奠定了重要理论基础。