长期农业管理对小麦根际微生物组干旱适应宏基因组功能潜力的塑造作用

《Environmental Microbiome》：How agricultural legacy shapes the drought response of the wheat rhizobiome

　　

摘要

背景

干旱日益成为土壤微生物组的威胁，而土壤微生物组是支持关键土壤功能和作物生产的重要基础。虽然干旱引起的土壤微生物多样性变化已被充分记录，但微生物组功能潜力的影响仍知之甚少。尤其是，与常规系统相比，有机农业等替代种植系统是否能增强微生物在干旱下维持其功能的能力，目前尚不清楚。为填补这一空白，我们在一个比较有机和常规系统的44年长期试验中施加了田间尺度的干旱，并利用鸟枪法宏基因组学评估了小麦根际微生物组的功能潜力。

结果

农业管理遗留效应是根际功能基因组成的主要驱动因素，在各类本体分类中解释了总变异的24–32%，并在干旱下持续存在（干旱解释了3–6%的变异）。虽然干旱引起的所有系统功能潜力变化的幅度相似，但受干旱胁迫的群落仍保持差异。所有系统都丰富了核心耐旱的宏基因组工具箱，包括细胞膜修饰、内生孢子形成、渗透调节物质积累、抗氧化剂产生和DNA修复。相反，我们观察到在干旱下与核糖体休眠和胞外多糖合成相关的基因相对减少，这表明更依赖植物根系分泌物而非内源基因组投入。在代谢潜力方面，群落表现出富集的无机磷和铁获取能力，同时与复杂有机物降解相关的基因相对减少。尽管所有系统的群落共享一组与胁迫生存和代谢适应相关的功能基因，但表现出了细微的系统特异性宏基因组策略，其中接受合成投入的常规系统中富集了孢子形成相关基因，而粪肥施肥的系统中富集了程序性细胞死亡通路。

结论

我们的研究结果表明，农业管理发挥了双重作用：深刻塑造土壤微生物组的功能潜力，同时对干旱适应的核心宏基因组工具箱影响有限，系统间仅存细微差异。干旱胁迫并非驱动广泛的系统特异性转变，而是在所有管理模式下持续富集与渗透胁迫耐受、细胞维护和养分获取相关的宏基因组工具箱。最终，没有任何种植系统在干旱的宏基因组抗性上更优，但每个系统在严重水分亏缺下仍保持其独特的宏基因组身份，凸显了农业管理持久遗留效应。