金合欢属植物根际土壤微生物群落特征及其与沙特阿拉伯伊玛目图尔基·本·阿卜杜拉皇家自然保护区生态系统可持续性的关联

《Plants》：Characterization of Soil Microbial Communities Associated with the Sustainability of Acacia Species in the Imam Turki Bin Abdullah Royal Reserve, Saudi Arabia

　　

摘要专业翻译 伊玛目图尔基·本·阿卜杜拉皇家自然保护区是沙特阿拉伯最大的保护区之一，其境内广泛分布的金合欢属植物种群通过根际微生物群增强养分有效性并维持生态系统可持续性。本研究旨在表征两种金合欢属植物的土壤与植物养分状况及微生物群落组成，以支持生物多样性保护和荒漠化缓解。研究人员从金合欢（Acacia gerrardii Benth，n = 9）和阿拉伯胶树（Acacia raddiana Savi，n = 6）采集了15对叶片和根际土壤样本。两个植物类群表现出显著不同的大量元素和微量元素谱，表明采样生境间养分可利用性存在差异。扩增子测序揭示了多样的细菌群落，其中放线菌门（Actinobacteriota）、绿弯菌门（Chloroflexi）和变形菌门（Proteobacteria）为优势细菌门。属级分类单元JG30-KF-CM45（绿弯菌门）在多个土壤样本中尤为丰富。同样，真菌群落以子囊菌门（Ascomycota）绝对主导，担子菌门（Basidiomycota）丰度较低。Didymella、Pithoascus和Fusarium为最普遍的真菌类群。功能预测表明，与养分转化和微生物代谢相关的酶存在显著差异，涉及锌D-Ala-D-Ala羧肽酶、丝氨酸型D-Ala-D-Ala羧肽酶、酰胺酶、UDP-N-乙酰葡糖胺1-羧基乙烯基转移酶和α-淀粉酶。此外，KEGG直系同源组（KOs）中，K08640（锌D-Ala-D-Ala羧肽酶）、K00657（二胺N-乙酰转移酶）和K06147（ATP结合盒转运蛋白，B亚家族）在细菌群落中相对丰度最高。这些发现凸显了与金合欢属植物相关的独特根际微生物集合，其可能有助于干旱环境中植物的生长表现和生态系统功能。

论文解读

一、研究背景与意义

荒漠生态系统自然保护区以保护荒漠生物和非生物自然生态系统为首要目标，这些保护区位于干旱、过度放牧和土地退化等问题的脆弱生态系统中。联合国2030年可持续发展议程呼吁各成员通过生态补偿保护、恢复和促进可持续土地利用，以限制和逆转土地退化来防治荒漠化。沙特阿拉伯建立了多种类型的保护区，其中伊玛目图尔基·本·阿卜杜拉皇家自然保护区是该国最大且最重要的保护区之一，位于沙特阿拉伯东北部，面积超过91,000平方公里，涵盖沙丘、山谷和高原等多种地貌，致力于通过种植本地物种、增强生物多样性和维持生态平衡来恢复生态系统。

金合欢属物种广泛分布于全球干旱和半干旱气候区，是荒漠地区最有效的树种，能够耐受恶劣气候条件。在沙特阿拉伯，金合欢属群落覆盖度高、物种多样性低，被视为该国旱生植被的顶峰。Acacia gerrardii Benth是阿拉伯半岛最常见的金合欢之一，为小型常绿乔木，具有深主根，适合在干旱胁迫下生存。Acacia raddiana Savi同样是重要的金合欢树种。这两种金合欢在维持保护区生态系统功能和生物多样性方面具有重要作用。

根际土壤微生物对维持土壤生物化学和生态系统功能至关重要，包括有机质分解、养分循环和腐殖质产生。土壤微生物通过三种机制促进植物发育：提高土壤养分生物可利用性、分泌植物激素并调控其信号、与有害微生物菌株竞争。微生物群落多样性常被用于评估土壤肥力和质量。扩增子测序被公认为研究土壤健康的重要技术，通过测序土壤样本中微生物的高度保守区域，揭示土壤微生物组的生物多样性、组成和功能特性。

本研究的主要目标为：评估伊玛目图尔基·本·阿卜杜拉皇家自然保护区内金合欢植物的营养状况和根区土壤性质；鉴定金合欢植物根区相关的微生物群落；表征所研究生态系统中土壤和植物养分状况及微生物群落组成，评估其对生态系统可持续性和荒漠化缓解的潜在贡献。

二、研究内容与主要结论

研究人员在伊玛目图尔基·本·阿卜杜拉皇家自然保护区内，从Acacia gerrardii Benth（第1组，n = 9）和Acacia raddiana Savi（第2组，n = 6）采集了15对叶片和根际土壤样本，对土壤和植物养分元素含量进行了测定，并利用16S rRNA基因（V3–V4区）和ITS2区域的扩增子测序对细菌和真菌群落进行了全面分析。

研究发现两组金合欢植物的根际土壤和植物叶片在大量和微量元素含量上存在差异。第2组土壤中磷（P）、锰（Mn）、锌（Zn）和铜（Cu）含量显著较高，而第1组植物叶片中锰（Mn）和钙（Ca）含量显著更高。细菌群落以放线菌门、绿弯菌门和变形菌门为优势门，属级JG30-KF-CM45（绿弯菌门）在多数样本中占主导地位，相对丰度介于8.19%至36.0%之间。真菌群落以子囊菌门绝对主导（部分样本超过99%），担子菌门为第二优势门；Didymella、Pithoascus和Fusarium为最普遍的真菌属。α多样性分析显示细菌和真菌群落在两组间无显著差异；β多样性分析（PERMANOVA）表明两组间细菌和真菌群落组成均无显著差异（p分别为0.215和0.230）。功能预测分析（PICRUSt2）显示，两组细菌群落间多个酶学委员会（EC）类别存在显著差异，包括锌D-Ala-D-Ala羧基肽酶、二胺N-乙酰转移酶、丝氨酸型D-Ala-D-Ala羧基肽酶、酰胺酶、UDP-N-乙酰葡糖胺1-羧基乙烯基转移酶和α-淀粉酶；KEGG直系同源组（KOs）中K08640、K00657、K06147和K07024在两组间表现出显著的富集差异。

本研究揭示了与金合欢属植物相关的独特根际微生物群落结构，这些微生物可能通过养分转化和碳氮循环等过程促进植物在干旱环境中的生长表现和生态系统功能，为保护区生物多样性保护和荒漠化缓解提供了微生物学依据。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：在伊玛目图尔基·本·阿卜杜拉皇家自然保护区山谷沿线采集15对金合欢叶片和根际土壤样本，每个采样点将3份根际土壤子样本混合为1个均质复合样本，植物样本由叶片和枝条混合制备，每个复合样本分为3等份作为技术重复；利用DNeasy Power Max土壤试剂盒提取土壤总基因组DNA；通过PCR扩增细菌16S rRNA基因（V3–V4区，引物341F/805R，约460 bp片段）和真菌ITS2区（引物ITS2F/ITS2R）；在Illumina MiSeq平台进行2 × 300 bp双端测序；使用QIIME2（v2024.10）和DADA2插件处理原始序列生成扩增子序列变异体（ASVs），细菌序列采用SILVA 138 NR99参考数据库分类，真菌序列采用UNITE数据库（版本8.0）分类；使用PICRUSt2（v2.6.3）进行功能预测推断KEGG直系同源组（KOs）和酶学委员会（EC）类别；采用STAMP（v2.1.3）评估功能类别差异；使用R语言工具（版本4.1.2）进行热图分析，QIIME2计算α多样性和β多样性（加权UniFrac和Bray–Curtis），PERMANOVA和PERMDISP检验组间差异；测序数据已提交至NCBI SRA数据库（登录号PRJNA1524290）。

四、研究结果

4.1 土壤和植物养分元素含量

第1组（A. gerrardii）和第2组（A. raddiana）根际土壤养分测定显示：氮（N）在两组间无显著差异，第1组为0.15 ± 0.02%，第2组为0.13 ± 0.03%；磷（P）在第2组土壤中显著较高（21.93 ± 8.17 ppm vs 11.1 ± 7.82 ppm，p < 0.05）；钾（K）两组间无显著差异。第2组土壤中锰（Mn）、锌（Zn）和铜（Cu）的可用性显著较高，分别达56.41 ± 9.81、25.29 ± 4.86和6.11 ± 0.71 ppm。植物养分方面，第1组植物中大量元素（N、P、K）含量较高，铁（Fe）含量最高（170.55 ± 44.88 ppm）；第1组植物锰（Mn）含量显著高于第2组（32.3 ± 9.65 ppm vs 22.32 ± 5.03 ppm），而第2组钙（Ca）水平显著较低（5340 ± 170 ppm vs 6020 ± 450 ppm）。

4.2 扩增子测序数据处理与统计

15个样本（第1组9个、第2组6个）产生约250 bp双端原始读数。真菌群落中样本A2的clean tags最少（114,002 nt），细菌群落中样本A5最多（443,996 nt）。细菌群落质量评分≥30（错误率<0.1%）的百分比范围为92.47%–93.31%，真菌群落为94.13%–95.35%。

4.3 微生物分类学分布

细菌群落鉴定出33个门、96个纲、224个目、362个科、637个属和1194个种；真菌群落鉴定出9个门、27个纲、61个目、133个科、264个属和381个种。细菌中放线菌门最丰富（样本A9中占54.68%，A2中占52.55%），其次为绿弯菌门（A5中占51.31%）、变形菌门（A8中占13.93%）和芽单胞菌门（A11中占14.10%）。属级JG30-KF-CM45为所有土壤样本中的优势细菌类群（相对丰度8.19%–36.0%），除样本A2外（该样本中最丰富类群为未分类细菌，相对丰度8.5%）。真菌群落中子囊菌门在全部样本中占主导地位，多个样本中超过99%；担子菌门为第二优势门（A11中3.28%，A6中2.99%）。科级水平上，小囊菌科（Microascaceae）在A10中占16.5%；属级Didymella和Pithoascus分别在A12和A15中占17.3%和54.6%。

4.4 微生物丰度热图

基于属水平前50个属的细菌热图将样本分为两组：第1组含A7、A6、A9、A8、A3、A15、A4和A13，第2组含A14、A10、A11、A2、A12和A1，A5为组外样本。Rubrobacter、Kribbella、Saccharopolyspora、Thermomicrobiaceae、AKYG1722、Gemmatimonas、JG30-KF-CM45等属在A1、A4、A5、A11和A13中相对富集。差异丰度分析鉴定出9个类群在两组间名义显著差异（原始p < 0.05），但经Benjamini–Hochberg校正后均不显著（FDR > 0.05）。真菌热图将样本分为两组，第1组含A14、A10、A15、A13、A9、A8、A7、A3、A6、A5和A4，第2组含A1、A2、A11和A12。Metarhizium、Cordyceps、Scutellinia、Nectriaceae、Arcuadendron、Clonostachys等属在多个样本中高度富集。属级Cordyceps具有最强的未校正组间差异（H = 9.46，p = 0.0021，FDR = 0.556），但校正后不显著。

4.5 微生物群落多样性

α多样性分析中，细菌Shannon指数范围为9.99（样本A5）至11.17（样本A12），第2组均值略高于第1组（10.91 vs 10.82），但无显著差异；真菌Shannon指数范围为3.17（样本A15）至6.50（样本A14），第1组均值高于第2组（5.44 vs 4.88），无显著差异。β多样性分析中，细菌群落第2组变异高于第1组，真菌群落第1组变异高于第2组；但PERMANOVA显示两组间细菌（p = 0.215）和真菌（p = 0.230）群落组成均无显著差异。PCoA分析中，细菌前三个主坐标轴解释了48.47%的总方差（PC1 = 27.76%，PC2 = 11.12%，PC3 = 9.59%），样本A5沿PC2正轴明显分离；真菌前三个主坐标轴解释了49.67%的总方差（PC1 = 22.88%，PC2 = 13.69%，PC3 = 13.10%），样本A9和A10距离较近，A2和A13位置较为独特。PERMDISP分析显示两组间细菌（F = 0.014，p = 0.911）和真菌（F = 0.211，p = 0.652）的多元离散度均无显著差异。

4.6 功能酶与通路预测

PICRUSt2功能预测经多重检验校正后，鉴定出多个在两组细菌群落间显著差异的酶学委员会（EC）类别（p ≤ 0.05），包括EC:3.4.17.14（锌D-Ala-D-Ala羧基肽酶）、EC:2.3.1.57（二胺N-乙酰转移酶）、EC:3.4.16.4（丝氨酸型D-Ala-D-Ala羧基肽酶）、EC:3.5.1.4（酰胺酶）、EC:2.5.1.7（UDP-N-乙酰葡糖胺1-羧基乙烯基转移酶）和EC:3.2.1.1（α-淀粉酶）。KEGG直系同源组（KOs）分析显示，K08640（锌D-Ala-D-Ala羧基肽酶）、K00657（二胺N-乙酰转移酶）、K06147（ATP结合盒转运蛋白，B亚家族）和K07024（蔗糖-6-磷酸酶）在两组间具有最强的显著富集模式，平均比例约为0.30%，在第1组中相对丰度明显更高。

五、讨论总结

金合欢属植物具有广泛的生态适应性和较高的耐盐耐旱能力。本研究中，两组金合欢的土壤和植物养分含量存在差异，第2组土壤中磷（P）、锰（Mn）、锌（Zn）和铜（Cu）有效性显著较高，第1组植物中锰（Mn）和钙（Ca）含量显著较高。细菌属JG30-KF-CM45和真菌属（Fusarium、Didymella、Pithoascus）以及芽单胞菌门和放线菌门是金合欢根际群落中最主要的微生物。与已有研究相比，JG30-KF-CM45在棉田土壤中也是优势属，放线菌门和变形菌门在柽柳和盐生植物根际土壤中同样占主导，表明这些微生物类群在干旱和盐碱环境中具有广泛的生态重要性。功能预测显示，与氮循环相关的酰胺酶和与碳循环相关的α-淀粉酶等酶类在细菌群落中具有较高的预测丰度，ATP结合盒（ABC）转运蛋白（K06147）在细胞营养输入和物质输出中发挥关键作用。研究存在以下局限性：缺乏非根际土壤参照样本，无法直接评估金合欢根际特异性微生物募集效应；采样设计无法推断金合欢物种身份对根际微生物群落的因果效应；观察到的微生物组差异可能反映宿主相关因素和空间环境异质性的共同影响。未来研究需采用配对采样设计并纳入详细的环境测量，以区分物种特异性和位点相关因素对根际微生物群落的影响。

六、研究结论

在沙特阿拉伯北部，伊玛目图尔基·本·阿卜杜拉皇家自然保护区是一个重要的受保护生态系统，拥有广泛的金合欢主导生境，维持着生态系统功能和生物多样性。土壤微生物多样性可能增强养分获取、改善土壤肥力并提高植物对环境胁迫的耐受性。两组间的土壤和植物样本在养分含量上存在差异，反映了土壤微生物在养分元素可利用性中的潜在作用。放线菌门、绿弯菌门、变形菌门和芽单胞菌门以及子囊菌门和担子菌门是保护区内金合欢植物下最丰富的门。Rubrobacter、Kribbella、Saccharopolyspora和JG30-KF-CM45是最丰富的细菌属，而Metarhizium、Cordyceps、Acremonium、Lepidosphaeria、Blastomyces、Trichothecium和Gibellulopsis是最普遍的真菌微菌群。此外，锌D-Ala-D-Ala羧基肽酶、二胺N-乙酰转移酶、丝氨酸型D-Ala-D-Ala羧基肽酶、酰胺酶、UDP-N-乙酰葡糖胺1-羧基乙烯基转移酶和α-淀粉酶在两种金合欢物种间表现出显著差异和相对丰度变化。本研究的一个局限是缺乏bulk-soil参照，无法直接评估相对于周围荒漠土壤的根际特异性微生物募集。此外，环境异质性和位点特定因素可能对检测到的模式有重要贡献。在干旱环境中，这些微生物互作对金合欢的生产力、生存和生态系统恢复尤为重要。