《Microbial Ecology》：Hydro- and Xerohalophyte Species Drive Compositional and Functional Divergence in Bacterial Leaf Endosphere
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本研究针对盐生植物叶片内生细菌群落的功能特性尚不明确的问题，通过宏基因组学方法分析了六种水生和旱生盐生植物叶片内生细菌的组成和功能。研究发现，宿主植物种类是影响细菌群落结构和功能（如植物生长促进特性）的主要因素，其次是植物功能类型，而季节变化无显著影响。该研究揭示了盐生植物叶片内生菌是多种PGP特性的重要来源，为开发抗逆微生物肥料提供了理论基础。
在全球土壤盐渍化日益严重的背景下，如何利用植物，特别是盐生植物，来改善和利用盐渍土壤，成为了一个重要的科学问题。盐生植物是能够在高盐环境中完成生命周期的特殊植物类群，仅占全球植物区系的1-2%。它们之所以能耐受盐胁迫，不仅依赖于自身进化出的解剖、形态和生理适应机制，还与其体内外共生的微生物，尤其是细菌，密不可分。这些微生物，特别是具有植物生长促进（Plant-Growth-Promoting, PGP）特性的细菌，能够通过多种方式帮助植物应对逆境，例如促进光合作用、增强养分吸收、产生渗透调节物质、调控植物激素以及激活抗氧化酶系统。因此，利用这些有益的共生微生物作为生物肥料或用于生态修复，展现出广阔的应用前景。
然而，与根际微生物群落的研究相比，人们对盐生植物内生细菌群落的了解仍然有限。内生细菌存在于植物的根、茎、叶、种子等各种组织中。其中，叶际（phyllosphere）环境，尤其是叶片内生境（leaf endosphere），比根际环境更为多变和严酷，细菌需要应对更强的紫外线辐射和温度波动等挑战。此前的研究表明，根部和叶部的内生细菌群落在多样性和组成上存在差异，并且宿主基因型和当地环境条件都会对其产生影响。那么，一个关键的科学问题是：对于采取不同生态策略的盐生植物——依赖潮湿环境的水生盐生植物（hydrohalophyte）和适应干旱环境的高旱生盐生植物（xerohalophyte）——它们的叶片内生细菌群落在组成和功能上是否会因其面临的胁迫类型不同而出现分化？为了解答这一问题，发表在《Microbial Ecology》上的这项研究，对六种盐生植物（三种水生型、三种旱生型）的叶片内生细菌群落进行了深入的宏基因组学分析，旨在揭示宿主种类、功能类型和季节对细菌群落组成及其PGP功能特性的影响。
研究人员开展此项研究，主要应用了几个关键技术方法。首先是样本采集与处理：研究选取了分布于西班牙西南部海湾潮汐沼泽地（水生型）和东南部干旱地区（旱生型）的六种盐生植物，在每个物种的多个种群中，于秋季（果实期）和春季（营养生长旺盛期）分别采集健康成株的叶片，混合成复合样本，并进行了严格的表面灭菌以去除附生微生物，确保后续分析针对的是严格意义上的内生细菌。其次是宏基因组测序：从复合样本中提取基因组DNA后，利用乌枪法宏基因组测序技术（shotgun metagenomics）在Illumina平台上进行测序，获得了每个样本的宏基因组数据。最后是生物信息学分析：对测序获得的海量数据进行了两条路径的分析。一是进行细菌分类学注释，以了解群落的物种组成；二是进行功能注释，使用专门针对PGP性状的数据库PGPg Finder，对与植物生长促进功能相关的基因进行鉴定和相对丰度分析。
研究结果
叶片内生细菌群落组成
通过对细菌群落组成的分析，研究发现所有样本主要由假单胞菌门（Pseudomonadota，约53.18% ± 3.58%）、放线菌门（Actinomycetota，约23.76% ± 3.71%）、芽孢杆菌门（Bacillota，约10.01% ± 2.37%）、拟杆菌门（Bacteroidota，约7.71% ± 2.34%）和蓝藻门（Cyanobacteriota，约3.18% ± 1.08%）主导。在属水平上，埃希氏菌属（Escherichia）在所有样本中平均相对丰度最高（22.27% ± 2.34%），而在Suaeda vera中，克雷伯菌属（Klebsiella）同样丰富（20.86%）。其他丰度较高的属包括Solirubrobacter、Blastococcus和Serratia。分析表明，季节对细菌群落结构没有显著影响，而植物功能类型和，更重要的，宿主植物物种是造成群落差异的主要因素。宿主物种的影响远大于功能类型。同一植物物种的不同种群样本通常表现出较高的同质性，但Halocnemum strobilaceum和Atriplex portulacoides的某些种群内部变异较大，可能与地理距离或生境人为干扰有关。
叶片内生细菌群落功能
对PGP功能特性的分析揭示了与物种组成相似的模式：季节无显著影响，而植物功能类型和宿主物种则显著影响了PGP功能的组成。同样，宿主物种是导致功能分化的最强驱动力。具体而言，功能类型仅导致6种PGP特性存在差异丰度，而不同植物物种之间则有多达62种PGP特性存在显著差异。有趣的是，在功能聚类分析中，所有水生盐生植物和部分H. strobilaceum种群聚集在一起，而与另外两种旱生盐生植物（Anabasis articulata和Atriplex glauca）分开。水生盐生植物Suaeda vera在功能上也与其他水生类型有所区别。差异丰度分析进一步揭示，旱生盐生植物聚类（A. articulata和A. glauca）在多数PGP特性上丰度相似，但与水生类型及H. strobilaceum相比，它们在应对氧化胁迫的相关基因（如超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、抗坏血酸过氧化物酶APX、谷胱甘肽过氧化物酶GPX、谷氧还蛋白Grx）上普遍表现出更高的相对丰度。此外，一些特定的PGP功能，如解磷作用、植物免疫反应刺激、群体感应调节、铵运输、耐盐相关酶等，也在不同植物物种间存在显著差异。
研究结论与讨论
本研究系统地揭示了盐生植物叶片内生细菌群落的组成和功能特性。核心结论是：宿主植物物种是塑造叶片内生细菌群落结构和功能（特别是PGP特性）的最主要因素，其影响力超过了植物功能类型（水生或旱生），而季节性的影响可以忽略不计。这一发现强调了宿主基因型（可能通过垂直传播）在筛选叶内共生体中的决定性作用。
尽管旱生盐生植物被认为面临更严峻的干旱胁迫，但本研究发现，两个典型的旱生盐生植物（A. articulata和A. glauca）的叶片内生菌在应对氧化胁迫的PGP基因上更为富集，这可能反映了它们对更严酷环境的适应。而水生盐生植物和聚类上更接近它们的H. strobilaceum则表现出不同的功能特征。特别值得注意的是，物种Suaeda vera在功能上与其他水生类型差异明显，提示即使属于同一功能类型，不同物种也可能通过其独特的生理特性（如向质外体释放可溶性糖）塑造特异的内生菌功能群落。
这项研究的意义在于，它深化了我们对盐生植物-微生物互作的理解，表明叶片内生菌是多种PGP功能基因的重要储备库。研究结果提示，根据不同的盐生植物功能类型（水生/旱生）甚至特定物种进行有针对性的有益内生菌分离筛选，有望获得更具多样性PGP特性的菌株，这对于开发针对不同盐渍环境的微生物接种剂（生物肥料）具有重要的指导价值。此外，研究还指出人为干扰可能影响内生菌群落的功能，这为未来研究指明了方向。最后，需要指出的是，本研究基于DNA水平的基因存在情况，这些PGP基因是否在植物体内实际表达并发挥作用，还需要未来的转录组学等研究来进一步验证。总之，该工作为利用植物-微生物联合策略应对土壤盐渍化挑战提供了宝贵的理论基础和微生物资源线索。
