《Environmental Microbiology Reports》：Neighbour Effects and Dynamics of Plant-Associated Microbiomes in a Strip-Crop System
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尽管多作物种植系统（如条带间作）能够组装复杂的微生物群落从而增强生态系统韧性，但在田间尺度上，研究人员对其组装机制和功能的理解仍然有限。本研究在两个生长季内，研究了轮作蚕豆（Vicia faba）和春大麦（Hordeum vulgare）条带系统中土壤和叶际微
尽管多作物种植系统（如条带间作）能够组装复杂的微生物群落从而增强生态系统韧性，但在田间尺度上，研究人员对其组装机制和功能的理解仍然有限。本研究在两个生长季内，研究了轮作蚕豆（Vicia faba）和春大麦（Hordeum vulgare）条带系统中土壤和叶际微生物组的动态变化及其位点特异性组装。利用细菌16S rRNA和真菌ITS扩增子测序技术，研究人员分析了从条带中心到边缘梯度上的微生物群落。研究发现，相比土壤微生物组，条带间作对叶际微生物组的影响更为显著。相邻作物携带不同的微生物群落，但随着距离的接近，它们的叶际微生物组共享更多特定的微生物分类单元。同样地，研究人员观察到梯度特异性的微生物分布模式，包括真菌病原体类群。例如，Puccinia在春大麦条带中心的丰度更高，并向边缘逐渐递减。相关性和共现网络分析揭示了土壤和叶际梯度上不同的微生物互作模式。与春大麦条带的中心网络相比，条带边缘的网络更具韧性。综上所述，本研究的发现揭示了邻近作物效应如何调节条带间宿主相关的微生物组，这些发现可被用于设计最优化的种植系统，例如用于减少叶部病原菌。
研究背景与科学问题
多样化种植系统，如间作和条带间作，相较于单作系统通常表现出更高的生产力和对生物与非生物胁迫的韧性。环境效益方面，多样化种植系统能改善土壤肥力和生物多样性，减少农用化学品的使用，同时维持高产。越来越多的证据表明，这些益处至少部分由与植物相关的微生物群落（即微生物组）所驱动。植物微生物组在促进养分获取、抑制病害和改善土壤健康方面发挥着关键作用。然而，在田间尺度上，关于多样化种植系统（尤其是条带间作）如何影响微生物组的组成、多样性和动态变化，研究人员的理解仍十分有限。此外，植物邻近效应对宿主微生物组动态变化的影响也鲜有研究。因此，亟需实证研究来揭示条带间作田中植物微生物组的组成、多样性及潜在功能，特别是邻近植物对微生物群落结构和多样性的影响，以阐明促进作物健康、土壤生物多样性和生态系统稳定性的微生物特征和模式。
研究目的与结论
本研究旨在探究异源邻近作物对条带间作系统中地上和地下微生物动态（包括病原菌）的影响。研究人员聚焦于一个条带间作系统中的春大麦（SB）和蚕豆（FB）。假设微生物群落结构模式和动态受到邻近作物的影响，且这种效应在条带边缘（即两种作物相遇处）最强。具体目标包括：(i) 在不同时间点，表征从条带中心到边缘梯度上土壤和叶片相关微生物组的微生物多样性和组成；(ii) 评估病原菌在作物条带内的分布情况；(iii) 检测微生物共现网络动态，以推断沿梯度的空间韧性。研究结果表明，条带间作对叶际微生物组空间变异性的影响远大于土壤微生物组；邻近作物物种拥有宿主适应的微生物组，但随着与邻近作物距离的接近，其微生物组共享更多的微生物类群；条带间作可能减少叶片中的病原菌，这取决于作物和病原菌种类。这些发现将有助于剖析田间水平的微生物组组装，并为生成促进可持续种植系统的混合宿主微生物组动态机制假说提供依据。
主要关键技术方法
研究人员在丹麦Sofieh?j试验站建立了一个条带间作田，重点研究相邻的蚕豆和春大麦条带。分别于2022年和2023年的多个时间点，在条带中心至边缘的梯度上采集土壤和叶片样本。利用细菌16S rRNA V5-V7区和真菌ITS2区的扩增子测序技术，通过Illumina MiSeq平台进行测序。序列数据采用DADA2流程处理，并使用SILVA和UNITE数据库进行物种注释。统计分析和可视化在R环境中完成，使用了vegan、phyloseq和ggplot2等包。通过主坐标分析（PCoA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）评估群落差异。利用指示物种分析鉴定与特定采样位置显著关联的微生物ASVs。通过Spearman秩相关分析构建微生物共现网络，并计算网络拓扑指标（如平均度、平均路径长度、模块性等）。最后，采用网络攻击容错策略评估不同梯度网络的稳健性。
研究结果
3.1 条带田中微生物组组成、多样性与指示物种
研究人员通过细菌和真菌序列读段分析，发现叶片和土壤的微生物群落存在差异。去除了2022年第二次采样时间点的低质量叶片细菌读段。
3.2 2022年微生物群落结构
2022年第三次采样时，蚕豆和春大麦条带梯度上的叶片细菌相对丰度高度分化。例如，在蚕豆中，Rosenbergiella属和肠杆菌科在条带中心更丰富，而Mesorhizobium和Pantoea在边缘更丰富。在春大麦中，Pseudomonas和Burkholderia的相对丰度从中心向边缘递减，而Staphylococcus和Frondihabitans趋势相反。春大麦叶片细菌丰富度从中心到边缘显著下降。整体叶片细菌群落组成在两种作物的梯度上均明显分离。相比之下，土壤细菌相对丰度和α多样性在梯度间差异不大，β多样性也大多不显著。指示物种分析显示，蚕豆叶片边缘有独特的指示细菌类群（如Afipia, Pantoea, Sphingomonas, Bradyrhizobium），而春大麦中心（Pseudomonas, Sphingomonas）和边缘（Staphylococcus, Exiguobacterium）也有各自的指示物种。在真菌方面，最值得注意的是，春大麦叶片中的锈病菌Puccinia（包含Puccinia hordei）在前两个采样时间点从中心到边缘急剧减少，该梯度在第三次采样时消失。土壤真菌群落组成在梯度上也有聚类现象。
3.3 2023年微生物群落结构
2023年的结果验证了2022年的观察，春大麦条带中心叶片的Puccinia相对丰度最高。Cladosporium在条带边缘显著更高，而Blumeria在春大麦条带中心显著富集。边缘位置的蚕豆和春大麦叶片共享的真菌分类单元比例最高（39%），其次是中间位置（35%），中心最低（31.5%）。叶片微生物群落沿梯度明显不同，其中采样时间对群落变异的贡献最大，采样位置也有显著但较小的影响。采样位置对真菌群落的影响高于细菌。指示物种分析也识别出了沿条带梯度的指示物种。
3.4 2023年梯度特异性微生物共现网络
相关性分析识别出叶片和土壤样本中微生物分类单元间的正负共现关系。春大麦叶片中检测到的真菌-细菌相关性数量多于蚕豆。在春大麦中，条带边缘的负相关性最多且最强，例如Pantoea和肠杆菌科与Puccinia呈负相关。微生物共现网络显示，春大麦叶片网络从中心稀疏结构变为边缘更密集、连接更强的网络。网络指标（如平均度和平均路径长度）证实了这种差异。蚕豆叶片网络在边缘的模块性最高。研究人员鉴定了不同梯度位置的枢纽分类单元，例如Vishniacozyma和Taphrina在两种作物网络中均为优势枢纽。网络容错测试表明，对于春大麦叶片，中心网络比边缘网络更脆弱，更容易崩溃。这表明条带边缘的网络更具韧性和稳定性，可能更能抵抗病原菌入侵。
讨论与结论总结
讨论部分总结：讨论指出，混合种植系统能促进高微生物生物多样性，并被认为可以增强作物生长和病害抑制。本研究发现，条带内空间梯度上的微生物群落截然不同，证实了邻近效应对宿主微生物组的影响。叶部群落早期在物种间差异更大，表明物种在早期生长阶段影响更强。土壤真菌群落在后期更独特，暗示宿主在塑造真菌群落方面的作用更强。采样时间和梯度位置都显著影响了微生物群落结构，其中采样时间的影响最大。叶片微生物组比土壤微生物组更动态，这符合预期，因为天气因素会强烈扰动叶际微生物组。关于病原菌，春大麦叶片上Puccinia的相对丰度在条带中心始终高于边缘，这提供了强有力证据。其他病原菌属（如Blumeria, Ramularia, Cladosporium）也在梯度上呈现差异丰度。这些发现表明条带田中特定位置的真菌病原菌攻击倾向不同。研究人员还发现了与条带中心或边缘相关的指示微生物类群，其中一些（如Pantoea agglomerans）已知具有生防特性。边缘区域共享更多的真菌属，证明了邻近作物对叶片真菌组的交互作用。相关性分析和网络分析揭示了沿梯度的不同微生物互作模式。例如，Siccibacter和Erwinia与中心位置的Puccinia负相关，而Pantoea和Cupriavidus与边缘的Puccinia负相关，这些微生物可能在不同位置参与病原菌控制。春大麦叶片网络在边缘展现出更大的连通性和对扰动的稳健性，表明边缘网络更强大。网络容错测试证实了春大麦叶片边缘网络比中心网络更稳健，这与边缘更高的负相关数量和更强的邻近效应相符。
研究结论部分翻译：本研究利用Illumina扩增子测序技术，调查了两年轮作的蚕豆和春大麦条带田中土壤和叶片微生物组的动态变化和位点特异性组装。研究人员发现，在春大麦和蚕豆条带内部及之间，地上和地下采样位置均呈现出独特的微生物组成和多样性。真菌病原菌（如Puccinia、Blumeria和Cladosporium）的相对丰度沿条带梯度变化；具体而言，Puccinia在春大麦条带中心始终更为丰富。此外，邻近条带对微生物丰富度的影响在靠近边缘处最大。同时，研究人员揭示了条带内特定位点的微生物互作和共现网络。与土壤网络相比，春大麦的门级叶部共现网络展现出更不相似的网络构型，这主要是由于叶片微生物群的动态性更强。网络容错测试证实了春大麦条带边缘的网络更具韧性。由网络结构、拓扑学和枢纽分类单元所体现的独特微生物共现关系，可以解释不同作物和条带内位点所特有的群落韧性变化。总而言之，研究人员表明：(i) 条带间作对叶际微生物组空间变异性的影响远大于土壤微生物组；(ii) 邻近作物物种拥有宿主适应的微生物组，但随着与邻近作物距离的接近，其微生物组共享更多的微生物分类单元；(iii) 条带间作可能减少叶片中的病原菌，这取决于作物和病原菌种类。这些发现将有助于剖析田间水平的微生物组组装，并为生成促进可持续种植系统的混合宿主微生物组动态机制假说提供依据。
