中国西南岩溶区蚕豆根瘤内生细菌及固氮菌分布特征解析

本研究针对岩溶荒漠化(RD)地区生态修复需求，聚焦先锋植物蚕豆(Vicia faba)根瘤微生物组，通过16S rDNA和nifH基因测序技术，首次揭示云南红河不同RD程度区域根瘤内生细菌群落结构差异，发现Pseudomonadota为优势菌门，Rhizobium丰度与土壤有效磷(AP)和RD程度呈正相关，而与土壤含水量(SWC)负相关，为微生物介导的RD治理提供理论依据。

　　

在占全球陆地面积15.2%的岩溶地区，由碳酸盐岩溶解和人为活动共同引发的岩溶荒漠化(Rocky Desertification, RD)正导致严重的土壤退化和生态功能丧失。中国西南作为全球三大岩溶分布区之一，其薄层土壤和脆弱生态系统面临严峻挑战。尽管豆科植物被公认为生态修复的先锋物种，其根瘤中复杂的微生物互作机制，尤其是固氮菌群在RD环境中的适应规律仍属未知。

西南林业大学云南省森林生物多样性保护与利用重点实验室的研究团队选取云南红河州4个不同RD程度区域的野生蚕豆根瘤为研究对象，通过高通量测序和生物信息学分析，系统解析了根瘤内生细菌及固氮菌群的分布特征。研究成果发表于《Scientific Reports》，揭示了土壤因子驱动微生物群落构建的关键机制。

研究采用跨区域采样策略，从建水县、个旧市和开远市采集12份根瘤样本（每组3个生物学重复）。通过表面灭菌和DNA提取后，分别使用799F/1193R和nifH-F/nifH-R引物对16S rDNA和固氮功能基因进行扩增测序。结合土壤理化性质测定（pH计、凯氏定氮法、钼锑抗比色法等），采用LEfSe分析、PCoA排序和db-RDA等方法探究环境因子与微生物群落的关系。

土壤理化性质分析
数据显示，轻度RD区域（JS6）土壤含水量（SWC）显著高于中度区域（GJ3/GJ8/KY4），而KY4站点pH值最高。总磷（TP）和碱解氮（AN）在中度RD区域显著富集，表明RD程度与土壤水分流失和碱化密切相关。

内生细菌多样性特征
通过α多样性分析发现，轻度RD区域的Sobs（146.67-190.00）和Shannon指数（2.37-2.94）普遍较高。PCoA显示GJ8与JS6群落相似，而KY4独特性显著（ANOSIM R=0.6944）。在451个OTUs中，Pseudomonadota占据绝对优势（94.01%-99.63%），其中Pseudomonas（36.45%-62.06%）和Rhizobium（9.78%-34.28%）为核心属。LEfSe分析鉴定出47个标志性OTUs，如KY4的Rhizobiaceae家族丰度异常突出。

固氮菌群落结构
nifH基因测序获得331个OTUs，Pseudomonadota仍是主导菌门（96.59%-98.29%）。Bradyrhizobium在GJ8占比达44.85%，而KY4的Rhizobium丰度高达82.48%。值得注意的是，轻度RD区域存在19.74%的Verrucomicrobia和43.80%未分类菌群，暗示低胁迫环境更利于微生物多样性维持。

环境驱动机制
Pearson分析揭示Rhizobium与AP含量（r>0.6）和RD程度呈正相关，但与SWC显著负相关。RDA进一步确认TP、TN和pH是固氮菌群落的主要驱动因子。这些发现说明，在岩溶地区的水分胁迫和磷限制条件下，微生物通过特定的群落重构来适应环境压力。

该研究首次阐明了RD梯度下蚕豆根瘤微生物组的演替规律，证实土壤水分和磷有效性是调控共生固氮效率的关键因素。发现的Pseudomonadota-Rhizobium-Bradyrhizobium功能模块，为人工构建抗逆微生物群落提供了靶标。通过微生物定向调控加速岩溶区养分循环的策略，对推进中国南方3000万公顷RD土地的生态修复具有重要实践价值。未来研究需结合土壤有机碳和植物代谢组学，进一步揭示"植物-微生物-环境"三方互作的分子机制。