植物-植食者-捕食者三营养级系统中微生物动态的确定性过程与功能关联研究

本研究通过16S rRNA基因测序技术，揭示了豆科/葫芦科/茄科植物-二斑叶螨(Tetranychus urticae)-智利小植绥螨(Phytoseiulus persimilis)三营养级系统中微生物群落的传递规律与组装机制。研究发现各营养级微生物主要受确定性过程驱动，捕食螨核心菌群Stenotrophomonas和Methylobacterium与其适合度显著相关，为解析多营养级互作提供了微生物维度新见解。

　　

在自然界复杂的食物网中，植物、植食性昆虫及其天敌之间形成的三营养级关系一直是生态学研究的热点。传统研究多关注可见的物种间相互作用，却往往忽略了微观世界中微生物这个"隐形玩家"的关键作用。近年来，越来越多的证据表明，微生物可以通过改变宿主的营养代谢、防御物质合成等途径，深刻影响多营养级系统的生态功能。然而，关于微生物如何在植物-植食者-捕食者三级营养链中传递、组装并发挥功能，特别是对顶级捕食者的影响机制，仍存在显著的知识空白。

针对这一科学问题，由中国农业科学院植物保护研究所等单位组成的研究团队，选取了典型的豆科（菜豆）、葫芦科（黄瓜）和茄科（茄子）植物-二斑叶螨(Tetranychus urticae)-智利小植绥螨(Phytoseiulus persimilis)模型系统，通过高通量测序和生态学分析相结合的方法，首次系统揭示了三级营养系统中微生物群落的动态变化规律及其生态功能。相关研究成果发表在微生物生态学领域权威期刊《FEMS Microbiology Ecology》上。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：(1)建立标准化的三营养级实验系统，包括三种植物上连续培养6代二斑叶螨和6代智利小植绥螨；(2)使用16S rRNA基因V4区测序分析根、叶、植食螨和捕食螨的内生菌群；(3)应用SourceTracker模型追踪微生物来源；(4)通过中性群落模型(NCM)解析群落组装机制；(5)结合LEfSe分析和相关性检验鉴定功能微生物标记物。

微生物多样性呈现营养级特异性
通过Chao1指数分析发现，黄瓜叶片微生物多样性显著高于菜豆和茄子，而捕食螨在茄子系统表现出独特的α多样性升高现象。NMDS分析显示，尽管植食螨在不同植物上菌群相似，但捕食螨在茄子上的菌群组成显著区别于其他两种植物系统。

受限的跨营养级微生物传递
SourceTracker模型揭示了一个有趣现象：仅有4%-10%的叶际微生物转移到植食螨，而植食螨向捕食螨的传递率为6%-29%。网络分析进一步表明，菜豆系统具有最复杂的微生物互作网络（平均连接度17.96），暗示植物种类显著影响微生物群落结构。

确定性过程主导群落组装
中性模型拟合结果显示，从根系到捕食螨的各营养级R²
值均低于0.5（菜豆系统36.7%，黄瓜40.2%，茄子51.8%），表明确定性过程（如宿主选择压力）在菌群构建中起主导作用。值得注意的是，根系微生物的迁移率（m=0.071-0.105）显著高于叶际（m=0.015-0.069），揭示了植物组织微环境对微生物扩散的差异化过滤效应。

核心微生物的功能分化
研究鉴定出57、38和50个在三营养级共享的ZOTUs（零半径操作分类单元），主要属于假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)和葡萄球菌属(Staphylococcus)。特别发现茄子系统的捕食螨特异性富集16个共享ZOTUs，其累积丰度与发育历期呈正相关（R²
=0.450），与产卵量呈负相关（R²
=0.569）。LEfSe分析鉴定出甲基杆菌属(Methylobacterium)和寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)与捕食螨适合度显著正相关，而纤维素单胞菌属(Cellulomonas)则抑制植食螨的繁殖力。

讨论与展望
该研究突破了传统三营养级研究的认知框架，首次从微生物维度揭示了三个重要规律：(1)在开放系统中，微生物跨营养级传递受到严格限制，打破了"营养级邻近则菌群相似"的传统假设；(2)确定性过程超越随机性因素，成为塑造多营养级微生物群落的核心驱动力；(3)特定功能微生物（如代谢多面手Stenotrophomonas）可能通过调控宿主能量稳态影响生态系统功能。

这些发现为农业害虫生物防治提供了新思路：通过定向调控植物相关微生物组（如增强具有降解植物次生代谢物能力的菌群），可能间接提升天敌昆虫的控害效能。未来研究可进一步解析"植物性状-宿主过滤-微生物功能"框架的分子机制，开发基于微生物组的精准生物防治策略。该成果不仅丰富了多营养级相互作用的理论体系，也为农业生态系统可持续管理提供了科学依据。