青藏高原优势禾草根际核心细菌群落的生活史策略分异：植物-微生物互补适应机制解析

本研究针对高寒草原中植物-微生物互作机制不清的问题，通过跨越2161 km的青藏高原样带采样，揭示了针茅属（Stipa L.）和早熟禾属（Poa L.）两类优势禾草根际核心细菌群落（分别含5458和5193个ASVs）的生活史策略分异。研究发现：Poa L.（K-策略植物）偏好招募r-策略细菌（平均16S rRNA操纵子拷贝数2.26），促进氮固定和碳循环功能以支撑其高生物量；Stipa L.（r-策略植物）富集K-策略细菌（拷贝数1.87），通过胁迫响应基因（耐旱性+78%、氮限制+28%）增强环境适应性。这种植物与微生物生活史策略的互补性（仅6.3%核心菌重叠），为解析自然生态系统稳态维持机制提供了新视角。

　　

论文解读

研究背景

在自然生态系统中，植物根系与微生物的互作是驱动碳氮循环、养分获取和环境抗性的核心环节。尽管农作物研究表明植物能塑造根际微生物组，但在广袤的高寒自然草原中，植物如何选择性地招募微生物伙伴以适应严酷环境，尤其是微生物生活史策略（r/K选择理论）与宿主植物的协同机制，仍是未知领域。青藏高原作为全球高海拔生态系统的典型代表，其优势禾草针茅属（Stipa L.）和早熟禾属（Poa L.）分别呈现宽生态位和高生物量的生存策略，为解析上述问题提供了天然实验室。

研究团队与方法

中国科学院生态环境研究中心的研究团队沿青藏高原2161 km样带（涉及13个县、17个站点）采集两类禾草的根际样本，结合植被特征测量、高通量测序和生物信息学分析展开研究。主要技术包括：

1. 大尺度采样设计：在海拔（28°–38°N）和降水梯度（200–756 mm）覆盖的四种草原类型中，按100 m高差设置梯度采样点，采集根际土壤并进行DNA提取。

2. 微生物组分析：通过16S rRNA基因V4区测序（引物515F/806R），基于最大似然二元模型界定核心细菌（出现≥11个位点的ASVs），利用rrnDB数据库计算16S rRNA操纵子拷贝数表征微生物r/K策略。

3. 功能与网络解析：采用FAPROTAX预测代谢功能，基于环境应激基因注释胁迫响应潜力；利用分子生态网络分析（iNAP平台）量化群落互作复杂性（内聚性指标）。

4. 统计学验证：通过ANOVA比较植物性状差异，随机森林模型评估环境因子（pH、温度等）对微生物策略的影响。

研究结果

3.1 两类禾草的生活史策略分异

Poa L.表现出典型的K-策略特征：其地上/地下生物量显著高于Stipa L.（P<0.05），株高增加13.2%（图1a–d）。而Stipa L.则呈现r-策略倾向，生态位宽度（图1e）和根际细菌生态位宽度（图1f）更广，适应多变生境。

3.2 核心根际细菌的招募偏好

两禾草的核心菌群高度特异：仅633个ASVs重叠（占总核心菌6.3%），Poa L.富集5458个ASVs（以放线菌门、变形菌门等r-策略菌为主），Stipa L.富集5193个ASVs（以绿弯菌门、浮霉菌门等K-策略菌为主）（图2a–c）。Poa L.根际菌的16S rRNA操纵子拷贝数（2.26）比Stipa L.（1.87）高20.86%（P<0.05），且与地上生物量呈正相关（r=0.319）（图2d–e）。

3.3 功能性状的互补适应

功能分析揭示策略互补：

• Poa L.的r-策略菌：功能以氮固定（+134%）、硝酸盐还原（+68%）和碳降解（烃类降解+399%）为主（图3c），驱动资源快速获取。

• Stipa L.的K-策略菌：胁迫响应基因富集，包括耐旱性（+78%）、氮限制（+28%）和热激响应（+15%）（图3d），提升宿主在资源限制环境的生存力。

  分子网络显示：Stipa L.菌群的正/负内聚性显著更高（图S3c–d），表明K-策略菌群互作更稳定，抗干扰能力更强。

3.4 环境响应的策略一致性

随机森林模型证实：K-策略生物（Stipa L.及其根际菌）均对环境因子（如pH）更敏感（图4c–f），而r-策略的Poa L.及其菌群受环境约束较小（图4a,e）。

结论与意义

本研究首次在自然生态系统中证实：植物与根际微生物通过生活史策略互补实现协同适应——高生物量的Poa L.（K-策略）依赖r-策略菌加速资源转化，而广适性的Stipa L.（r-策略）依托K-策略菌增强抗逆能力。这一发现突破传统认知，揭示植物-微生物互作并非策略趋同而是功能互补的生态适应本质。

科学价值在于：

1. 为高寒草原生态系统稳定性维持提供微生物组调控新靶点；

2. 推动r/K选择理论从单一物种向跨域互作系统的拓展；

3. 为退化草地生态修复中"植物-微生物功能模块"设计奠定理论基础。

   论文发表于《Journal of Plant Ecology》，标志着我国在高原微生物生态学领域取得重要突破。