黄瓜根际微生物组多样性及关键种研究：揭示其在驱动黄瓜生长与微生物群落构建中的作用

本研究针对农业生态系统中根际微生物与作物互作机制不清的问题，聚焦黄瓜根际微生物组多样性及关键种功能，通过多地点采样、高通量测序和合成微生物群落(SynComs)实验，发现Flavobacterium sp.和Bacillus sp.作为关键种通过调控微生物群落促进黄瓜生长，为农业微生物组调控提供了新策略。

　　

在可持续农业发展中，理解农业生态系统与微生物组之间的相互关系至关重要。特别是作物根际微生物组，作为植物的"第二基因组"，在促进植物生长、增强抗逆性和维持生态系统功能方面发挥着关键作用。然而，随着集约化农业的发展，连作障碍、土壤退化等问题日益突出，导致微生物多样性下降和功能失衡。黄瓜作为我国重要的经济作物，在四川省形成了彭州、峨眉山、威远和江阳等主要产区，但不同地区栽培模式和生态环境的差异如何影响根际微生物组，以及是否存在调控微生物群落结构和功能的关键物种，这些问题尚不清楚。

为了解决这些科学问题，来自四川省农业科学院园艺研究所的研究团队在《New Biotechnology》上发表了一项综合性研究。该研究通过对四川省4个主要黄瓜产区108份根际和非根际土壤样本进行系统分析，结合高通量测序、网络分析和功能验证实验，深入揭示了黄瓜根际微生物组的组成特征、关键物种及其功能机制。

研究人员采用了多种关键技术方法：从不同产区采集根际和本体土壤样本进行DNA提取；使用515F/806R和ITS1-F/ITS2引物对16S rRNA基因V4区和ITS1区进行扩增子测序；通过QIIME2进行生物信息学分析；运用共现网络分析鉴定关键类群；基于功能预测工具Tax4Fun和FUNGuild分析微生物功能特征；分离培养核心微生物并构建合成微生物群落(SynComs)；通过盆栽实验验证关键物种的促生效应。

研究结果首先揭示了黄瓜根际微生物组的分类特征。α多样性分析显示，根际土壤的细菌和真菌Shannon指数显著低于本体土壤(p < 0.01)，表明植物根系通过分泌物和信号化合物招募特定微生物，导致根际群落多样性降低。主坐标分析(PCoA)表明，微生境(根际与本体土壤)是驱动细菌群落组成的最主要因素(36%)，其次是地理位置(23%)。在门水平上，黄瓜根际主要以变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)为主，而本体土壤则以变形菌门、酸杆菌门(Acidobacteria)和子囊菌门(Ascomycota)为主。

关于核心微生物类群，研究发现在所有样本中检测到的2476个细菌属中，有168个被确定为核心类群，主要包括无色杆菌属(Achromobacter)、 Actinospica等81个属。这些核心细菌类群主要集中在放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门四个门中。系统发育分析显示，超过一半的细菌发育关系聚集在变形菌门，而厚壁菌门的聚集最少。

通过共现网络分析，研究人员发现了微生物间的复杂互作关系。细菌网络中负相关(34%)多于真菌网络(21%)。假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)和 Altererythrobacter之间存在最强的正相关，而Arenimonas和Dyella之间存在最强的负相关。真菌网络则以正相关为主，Mycena和Phoma之间存在最强的正相关。网络分析还识别出6个关键属：Ensifer sp.、Flavobacterium sp.、Hydrogenophaga sp.、Bacillus sp.、Pandoraea sp.和Rhodobacter sp.，其中Flavobacterium sp.和Bacillus sp.被确定为潜在的关键物种。

功能预测分析揭示了微生物群落的功能特征。细菌功能预测显示，50%的预测功能与代谢途径(合成和分解代谢)高度相关，33%与环境化合物降解功能相关。真菌功能 guild分析表明，根际群落以腐生菌(63%的总序列)和病原真菌为主，包括内生病原菌和寄生虫立克次体。腐生真菌如毛霉门(Mucoromycota)参与有机物分解和不溶性矿物质降解，担子菌门(Basidiomycota)通过与植物形成菌根共生来增强植物养分吸收。

最重要的是，研究人员通过合成微生物群落实验验证了关键物种的功能。盆栽实验结果表明，添加Flavobacterium sp.的SynComs处理使黄瓜鲜重显著增加(p < 0.05)，株高比单纯SynComs处理提高61.1%(p < 0.01)，叶片数增加47.6%(p < 0.05)。同时添加Bacillus sp.和Flavobacterium sp.的处理也使株高提高49.7%(p < 0.05)。微生物生物量测定显示，含有关键物种的群落生物量显著高于单纯SynComs处理(p < 0.0001)。

研究结论表明，Flavobacterium sp.和Bacillus sp.作为关键物种，通过直接和间接方式影响微生物群落，进而调控农业生态系统。Flavobacterium sp.可能通过调节根际微生物群落来促进黄瓜生长，而Bacillus sp.可能通过稳定根际微生物生物量来影响黄瓜生长，进一步提高养分循环效率和系统稳定性。这些关键物种驱动的相互作用有望改善黄瓜植株的健康和生长，为农业生态系统中的微生物组管理提供了重要理论基础。

这项研究的重要意义在于不仅揭示了黄瓜根际微生物组的组成和功能特征，更重要的是鉴定出了具有调控功能的关键物种，并通过实验验证了其促生效应。这为开发基于微生物组的农业管理策略提供了科学依据，对于实现农业可持续发展具有重要的实践价值。未来研究需要进一步阐明关键物种通过微生物群落调节植物生长的具体机制，特别是它们如何通过调控微生物生物量来促进植物生长，这将是未来研究的重要方向。