基于宏基因组学的研究，探讨了土壤生境对短暂生存植物根际微生物功能及元素循环的影响

《Applied Soil Ecology》：Metagenomic insights into the influence of soil habitat on rhizosphere microbial function and element cycling in ephemeral plants

该研究通过宏基因组测序分析两种短暂植物在风沙土和灰漠土中根系微生物的功能特性，发现土壤类型显著影响微生物群落组成与碳、氮、磷循环相关基因丰度，其中风沙土以GTs和CBMs基因为主，灰漠土以GHs基因为主，并揭示土壤理化性质与微生物功能基因的关联性。

　　 城市与环境科学学院，石河子大学，新疆石河子，832003，中国

摘要

1. 为了评估短命植物的微生物功能及其在不同生境中的养分循环作用，本研究采用宏基因组测序技术分析了生长在两种土壤类型（风成土（AS）和灰漠土（GS）中的Malcolmia scorpioides和Isatis violascens的根际微生物的功能，以及碳（C）、氮（N）和磷（P）循环基因的丰度。同时探讨了这些功能与土壤因素之间的关系。宏基因组数据与NR数据库的比对结果表明，细菌在微生物群落中占主导地位。不同的土壤生境影响了它们的丰度和群落组成。基于CAZy数据库的功能注释显示，与糖基转移酶（GTs）和糖苷水解酶（GHs）相关的基因相对丰富，其次是与碳水化合物结合模块（CBMs）相关的基因。在灰漠土中，GHs是主要的差异功能；而在风成土中，GTs和CBMs占主导地位。与翻译、核糖体结构、能量产生、信号转导和独特代谢途径相关的基因在这两种生境中也存在差异。碳、氮和磷循环基因的丰度在不同组间存在显著差异。具体而言，参与碳固定的基因（如korA、rbcL、mct和pccA）在风成土中更为丰富，而与氮循环相关的基因在灰漠土中更为普遍。此外，有机磷矿化基因在风成土中更为丰富。土壤因素与氮循环基因的相关性最强，其次是碳循环基因，与磷循环基因的相关性较弱。偏最小二乘路径建模表明，可利用的营养物质对功能基因的表达有正向影响，尤其是与碳和氮循环相关的基因。本研究强调了土壤生境对根际微生物组成和功能的影响，以及这些基因动态受土壤物理化学性质驱动的作用。

引言

通过长期的进化和适应，植物和土壤微生物建立了互利的关系。植物通过利用根际微生物的功能特性来改善其周围的生态环境，从而提高养分获取能力和环境适应性。反过来，微生物利用植物根系分泌物作为重要的营养来源（Philippot等人，2013；Zhao等人，2021）。不同基因型的植物根系在遗传上进化出了特定物种的微生物群落（Cordovez等人，2019）。此外，研究表明根际微生物群落是土壤微生物的一个子集，土壤在其形成过程中起着关键作用（Mendes等人，2014；Zarraonaindia等人，2015；Ren等人，2024）。土壤类型的差异导致根际微生物群落组成的显著变化，这一现象在多种植物中得到证实（Lundberg等人，2012；Walters等人，2018；Edwards等人，2015）。关键土壤特性，包括pH值、含水量、盐度、有机质和养分有效性，是影响根际微生物群落形成和分化的关键因素（Xun等人，2019；Naylor等人，2017；Xun等人，2015）。因此，生长在不同土壤环境中的植物拥有独特的根际微生物群落，这些群落的变化对植物适应特定环境条件有重要贡献。

微生物在土壤中的多种养分循环过程中起着关键作用（Palomo等人，2016；Wu等人，2024）。作为植物的关键共生伙伴，根际微生物通过捕获、激活和固定过程增强了根际中的养分有效性（Sánchez-Ca?izares等人，2017）。通过介导土壤养分转化和促进植物养分吸收，这些微生物群落显著影响植物在特定环境条件下的生长和适应性。在养分缺乏的生境中，植物富集特定的功能性微生物以改善养分吸收和运输，从而维持生长（Hiruma等人，2016；Almario等人，2017；Zhao等人，2024）。例如，在芒草中发现了许多非共生的固氮细菌，使这种植物能够在养分稀缺的条件下茁壮成长。同样，Jatropha curcas对贫瘠土壤的耐受性与其相关微生物的固氮能力密切相关（Madhaiyan等人，2015）。宏基因组学提供了关于微生物群落组成和功能特性的见解，已成为生态学研究中的广泛使用工具（Zhang等人，2024）。例如，已经研究了参与全球氮循环途径的微生物基因及其与特定生境的关联（Nelson等人，2016）。在另一项研究中，中国内蒙古腾格里沙漠东南部两种不同类型的生物土壤壳中发现了与碳（C）和氮（N）代谢相关的基因差异（Li等人，2019）。重要的是，探索根际微生物的功能特性和基因表达对于理解植物对特定生境的适应性至关重要。

沙漠生态系统的极端生态条件赋予植被独特的适应性，这些生境中的微生物群落结构和功能也高度特化。研究表明，在沙漠环境中存在高度丰富的微生物群体，如Gemmatimonadetes、Firmicutes和Cyanobacteria。这些群体在沙漠生态系统中的丰度高于其他系统（Makhalanyane等人，2012；Richer等人，2015），并在碳和氮循环以及应激反应中发挥关键作用（Chen等人，2013；Singh等人，2013）。功能基因分析进一步表明，沙漠土壤中与养分代谢和有机分解相关的基因丰度较低，而与渗透调节和休眠相关的基因丰度较高（Fierer等人，2012）。这些发现强调了研究根际微生物功能的重要性，以阐明沙漠植物如何适应其环境。作为中国准噶尔盆地古尔班通古特沙漠植被的关键组成部分，短命植物能够有效利用有限的水分和热资源快速生长。这些植物主要分布在绿洲-沙漠过渡带，对沙面稳定和绿洲安全有重要贡献。该过渡带的典型土壤是风成土（AS）和灰漠土（GS）。我们之前的研究考察了这两种土壤类型中短命植物的生长特性、根际微生物多样性和根际物理化学性质，揭示了它们在AS和GS中的不同适应策略（Peng等人，2022；Peng等人，2023）。然而，这些植物对不同土壤生境的适应性背后的微生物功能特性和基因表达仍不清楚。

因此，本研究旨在探讨两种短命植物在不同土壤生境中的微生物功能特性，重点关注三个关键目标：（i）确定土壤生境对根际微生物分类和功能的影响；（ii）比较两种土壤生境（AS和GS）中与碳、氮和磷（P）循环相关的功能基因的差异表达；（iii）评估与养分循环相关的功能基因与根际土壤性质之间的关系。研究结果揭示了不同生境如何影响短命植物的根际微生物功能，并为理解这些植物如何适应多样的沙漠环境提供了理论基础。

站点描述和样本收集

站点描述和样本收集

研究区域位于中国新疆准噶尔盆地古尔班通古特沙漠南缘的莫苏湾沙漠研究站（海拔346米，北纬45°01′，东经86°06′）。该地区的年平均温度为6.6°C，年降水量为117毫米，年蒸发量为1979.5毫米，无霜期为135-205天。该地区是干旱地区沙漠绿洲过渡带的代表性站点，主要土壤类型为固定沙丘和半固定沙丘。

土壤性质和微生物注释

土壤性质和微生物注释

表S1展示了与Malcolmia scorpioides和Isatis violascens相关的两种不同土壤生境中根际土壤的物理化学性质。此外，通过将根际微生物的宏基因组数据与NR数据库进行比较，获得了微生物物种的注释（表1）。分析显示，根际微生物主要是细菌（89.638%–90.539%），其次是古菌（1.034%–1.422%）、真核生物（0.014%–0.021%）和病毒。

不同土壤生境对根际微生物群落组成的影响

不同土壤生境对根际微生物群落组成的影响

本研究发现，NR数据库的注释结果显示，两种短命植物根际土壤中细菌、古菌、真核生物和病毒的注释率受土壤生境的影响（表1），其中细菌在沙漠短命植物的根际微生物群落中占主导地位（图1a）。放线菌、变形菌、绿弯菌、厚壁菌、蓝细菌、酸菌和古菌门被确定为根际微生物中的主要群体（图1b）。

结论

结论

本研究全面分析了两种不同土壤生境中短命植物的根际微生物组成、功能以及与碳（C）、氮（N）和磷（P）循环相关的基因。研究结果表明，土壤生境显著影响了微生物群落组成，每种生境中的主要微生物功能通过CAZy、eggNOG和KEGG数据库得以确定。功能丰度的变化反映了短命植物对其相应环境的适应性变化。

CRediT作者贡献声明

CRediT作者贡献声明

Mengwen Peng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，数据管理，概念化。Meng Jiang：调查，撰写 – 审稿与编辑。Cheng Wang：数据管理。Zhen'an Yang：撰写 – 审稿与编辑，验证，项目管理，资金获取。Hao He：撰写 – 审稿与编辑，调查，数据管理，概念化。

利益冲突声明

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32501527、32360299）、石河子大学的高层次人才研究项目（RCZK202514、RCZK202586、RCZK202304）、新疆维吾尔自治区天池人才计划（2023，Zhen'an Yang）以及新疆生产建设兵团的科技计划项目（2024DA024）的支持。作者感谢所有参与审稿的专家以及Shiyanjia实验室（//www.shiyanjia.com）的帮助。