根际微生物多样性决定了辣椒对氮吸收的差异

《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》：Rhizosphere microbial diversity drives differences of peppers N absorption

本研究以四种辣椒品种为对象，分析其根际微生物组成与CNP功能基因对氮磷钾吸收的影响。结果表明，不同品种的根际微生物群落及功能基因丰度差异显著，其中YZ品种的根际氮含量和功能基因表达较高，且特定微生物模块与氮吸收呈正相关，对磷的影响较小。研究揭示了根际微生物在辣椒氮磷钾循环中的作用及品种间差异。

　　科学家们的研究聚焦于辣椒（*Capsicum* spp.）不同品种的根际微生物群落，以及这些微生物如何影响植物的营养特性。辣椒作为一种重要的蔬菜、调味品和药材，在全球范围内被广泛种植和培育。尽管其果实类型和营养价值存在显著多样性，但关于其根际微生物群落与植物营养吸收之间复杂关系的理解仍然有限。研究者指出，根际微生物及其功能基因在调节土壤中的氮、磷、钾等营养元素方面发挥着重要作用，这可能进一步影响植物地上部分的营养水平。因此，这项研究旨在探讨不同辣椒品种在营养获取方面的差异，并分析这些差异是否与根际微生物群落的多样性和营养循环相关功能基因的丰度有关。

研究采用了四种辣椒品种：元柱辣椒（YZ）、甜椒（BE）、线椒（LN）和朝天椒（HR）。这些品种在果实形态和营养特性上表现出明显的差异。通过实验观察，研究者发现YZ和BE品种在氮吸收能力方面具有更高的表现。在实验设计中，研究人员对这四个品种的种子进行了表面消毒处理，以去除可能存在的外部污染，确保实验数据的准确性。随后，他们对辣椒植株的各个器官（根、茎、叶、果实）以及根际土壤中的主要营养元素（总氮、磷、钾）进行了系统分析。研究结果显示，根际土壤中的总氮含量在YZ品种中显著高于BE、LN和HR品种，而其他营养元素则表现出相似的趋势。此外，根际微生物群落的组成也因品种的不同而有所变化，表明植物基因型对根际微生物多样性具有重要影响。

根际微生物群落不仅与土壤养分的可用性密切相关，还通过其功能基因的表达影响植物对养分的吸收和分配。研究者利用高通量定量PCR技术，开发了定量微生物元素循环（QMEC）方法，从而能够量化根际微生物在土壤有机质矿化和碳、氮、磷释放方面的遗传潜力。结合微生物网络分析和相关性分析，研究人员识别了与碳、氮、磷循环相关的潜在功能微生物模块，并发现了其中的核心功能微生物。这些核心微生物在特定的模块中表现出更高的丰度，例如模块#3和#15，这些模块包括*Arthrobacter*、*Leifsonia*、*Gaiellales*等属的微生物。研究发现，这些模块的丰度与氮相关基因的表达水平呈正相关，并显著影响辣椒的氮营养含量。这一发现表明，根际微生物在不同辣椒品种之间的氮获取能力差异中起到了关键作用。

然而，研究者也注意到，这些根际微生物对磷的激活作用较为有限。进一步的建模分析表明，根际微生物模块的丰度、氮相关功能基因以及土壤中的氮含量共同解释了辣椒地上部分氮含量变异的90.3%，这一比例是磷含量解释能力（约41.5%）的2.18倍。这表明，氮的获取和分配主要受到根际微生物和相关功能基因的调控，而磷的获取则相对独立。这种差异可能与氮和磷在植物代谢中的不同需求以及微生物在两者循环中的不同作用有关。

在实验过程中，研究者还对根际微生物的共现网络进行了分析。共现网络是一种揭示微生物群落内部相互关系的方法，能够帮助识别哪些微生物在特定的环境条件下共同存在，并可能对植物的营养吸收产生协同效应。研究发现，YZ和BE品种的根际微生物群落中，某些功能微生物的丰度显著高于其他品种。这些微生物可能通过促进氮的转化和吸收，提高辣椒植株的氮营养水平。此外，研究者还发现，YZ品种的根际土壤中，氮矿化基因*gdhA*的相对丰度显著高于其他品种，而氨化基因*ureC*则在YZ和BE品种中表现出更高的丰度。这些基因的表达水平可能反映了根际微生物在氮循环中的不同功能角色，从而影响辣椒对氮的吸收和利用。

研究者还指出，植物基因型在调节根际微生物群落组成方面具有重要作用。这一现象在其他作物中已有报道，例如玉米杂交品种与自交系在根际微生物群落组成上存在显著差异，这种差异可能与植株的异质性有关。同样，辣椒不同品种对根际土壤的理化性质和微生物特性也产生了不同的影响。研究者进一步分析了根际微生物与植物营养吸收之间的潜在机制，例如某些有益微生物通过分泌挥发性物质（VCs）上调氮相关基因，从而促进植物对氮的吸收。此外，还有一些微生物通过调节宿主植物的氮运输基因和根系发育，提高植物对氮的吸收效率。

除了氮，研究者还关注了磷和钾的循环过程。尽管根际微生物在磷和钾的获取中也发挥了一定作用，但它们对磷的激活影响相对较小。这可能与磷的生物可利用性较低，以及微生物在磷转化中的效率有限有关。然而，根际微生物在钾的获取和分配中仍表现出一定的影响，尤其是在某些特定的微生物模块中。这些模块可能通过促进钾的溶解和吸收，提高植物对钾的利用效率。因此，研究者认为，根际微生物在氮、磷、钾循环中的作用存在差异，这种差异可能与植物基因型、土壤条件以及微生物的代谢能力有关。

研究者还强调，根际微生物的多样性不仅影响植物的营养吸收，还可能对植物的生长和抗逆性产生重要影响。例如，某些根际微生物能够促进植物对氮的吸收，从而提高其生长速率和产量。此外，一些微生物还可能通过增强植物的抗病能力，提高其在不利环境条件下的生存能力。因此，研究者认为，根际微生物的多样性是植物营养吸收和生长调控的重要因素之一。

在实验过程中，研究者还对根际微生物的分布模式进行了分析。他们发现，不同辣椒品种的根际微生物群落在组成和分布上存在显著差异。这种差异可能与植物基因型的调控有关，同时也受到土壤环境条件的影响。例如，土壤的类型、温度和湿度等因素可能会影响根际微生物的多样性。因此，研究者认为，根际微生物的多样性是植物营养吸收和生长调控的重要因素之一。

此外，研究者还探讨了根际微生物在不同植物品种之间的差异。他们发现，某些辣椒品种的根际微生物群落中，存在一些独特的微生物，这些微生物可能对植物的营养吸收和生长具有特定的影响。例如，某些微生物可能通过促进氮的转化和吸收，提高植物的氮营养水平，而另一些微生物可能通过调节植物的根系发育，提高其对磷和钾的吸收能力。因此，研究者认为，根际微生物的多样性是植物营养吸收和生长调控的重要因素之一。

研究者还指出，根际微生物的多样性不仅影响植物的营养吸收，还可能对植物的产量和品质产生重要影响。例如，某些微生物可能通过促进植物的生长和发育，提高其产量和品质。此外，一些微生物还可能通过增强植物的抗病能力，提高其在不利环境条件下的生存能力。因此，研究者认为，根际微生物的多样性是植物营养吸收和生长调控的重要因素之一。

综上所述，这项研究揭示了辣椒根际微生物群落的多样性及其对植物营养吸收和生长的重要影响。研究者发现，不同辣椒品种的根际微生物群落在组成和功能上存在显著差异，这些差异可能与植物基因型、土壤条件以及微生物的代谢能力有关。通过分析根际微生物的功能基因和相关网络，研究者进一步明确了某些微生物在氮循环中的关键作用，并揭示了这些微生物如何影响辣椒的氮营养水平。此外，研究者还指出，根际微生物对磷的激活作用较为有限，这可能与磷的生物可利用性较低有关。因此，这项研究不仅加深了我们对辣椒根际微生物多样性及其功能的理解，还为未来研究植物营养吸收与微生物互作提供了新的思路和方法。