不同生态区谷子根际微生物的区域差异

《Rhizosphere》：Regional Differences in Rhizosphere Microorganisms of Foxtail Millet across Different Ecological Region

　　

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  不同生态区域的根际细菌群落存在显著差异。
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  在不同生态环境中，谷子维持了保守的核心微生物组。
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  微生物的招募受到宿主基因型和环境因素的共同影响。
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  土壤养分是细菌群落和结构的关键驱动因素。
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  功能预测揭示了不同生态区域中两种谷子品种的微生物功能潜力存在区域差异。

引言

根际微生物群落受根系分泌的分泌物塑造，根是负责水分和养分吸收的主要器官，并释放包括糖类、氨基酸、有机酸和次生代谢物等在内的广泛分泌物，为微生物提供底物和信号化合物（Ali等，2024）。这些化合物可以选择性地招募、富集或抑制特定的微生物类群，同时植物免疫反应和根际微生境进一步影响微生物的定殖和持续存在（Philippot等，2024）。因此，宿主物种、基因型、根性状、养分吸收和分泌物组成的差异可以改变根际微生物群落的组成和功能潜力（Xun等，2024）。根际微生物反过来通过促进植物营养、生长、发育以及对非生物胁迫的适应，成为植物-微生物相互作用的重要组成部分（Munir等，2022）。宿主基因型、土壤理化特性、气候和本地微生物物种库等众多相互关联的因素影响根际微生物群落的形成和组成（Xun等，2024）。环境条件也通过环境过滤强烈影响根际微生物的组装。土壤pH值、养分有效性、有机质、温度和降水可以改变微生物的栖息地适宜性、资源可用性、代谢活性和竞争相互作用，从而决定哪些微生物类群能够在根际建立和持续存在（Escudero-Martinez等，2023）。因此，植物选择和环境过滤同时发挥作用，它们在生态梯度上的相对贡献可能不同，共同塑造微生物组装而非独立作用（Bahram，2025；Trivedi等，2022）。

谷子（Setaria italica）是主要驯化的谷物作物之一，由于其对干旱、低土壤肥力和其他非生物胁迫的极强抗性，被广泛种植于干旱和半干旱地区（Li等，2025）。谷子富含淀粉、维生素和其他微量营养素（Wang等，2024）。山西省是中国最古老的粟类作物产区之一，拥有丰富的谷子种质资源，被认为是谷子栽培和遗传多样性的重要中心之一。该省还以生产优质小米而闻名，使其成为研究不同生态环境中谷子与其根际微生物组相互作用的理想自然系统（Diao，2017；H. Wang等，2018）。在山西省种植的谷子品种中，晋谷21因其优质的谷粒品质、稳定的产量和广泛的适应性而成为种植最广泛的品种，而中谷2是一种新培育的矮化品种，具有改良的抗倒伏特性和理想的农艺特性。因此，了解这些对比生态区域中根际微生物的多样性和组装机制对于谷子育种、栽培和农业可持续发展具有重要的科学和实际应用意义。鉴于世界人口不断膨胀和经济增长，提高谷子的产量和品质至关重要。尽管此前的研究表明宿主基因型和环境因素均会影响根际微生物群落，但环境过滤与宿主介导的微生物选择在根际微生物组装中的相对贡献在不同生态区域中仍然知之甚少，特别是在 elite 谷子品种中（Trivedi等，2020；Xun等，2024）。我们假设，由于环境异质性，根际细菌群落将在不同生态区域间存在显著差异，同时在品种间维持保守的核心微生物组。在本研究中，我们利用Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因进行测序，表征了在山西省五大主要谷子生产生态区域种植的晋谷21和中谷2的根际细菌群落。具体而言，本研究旨在：(i) 比较不同生态区域中两种谷子品种关联的根际细菌群落的多样性和组成；(ii) 鉴定与每个品种相关的保守和区域特异性细菌类群；(iii) 评估生态区域和宿主品种对细菌群落组装的相对影响；(iv) 通过将微生物群落结构与环境变量和功能预测相结合，探索谷子-微生物组协同适应的生态机制。理解这些生态过程将有助于鉴定有益于微生物组辅助育种和在对比环境条件下谷子可持续栽培的有益微生物资源。此外，研究结果为根际微生物组装的生态过程提供了新的见解，并为利用有益微生物改善谷子育种和可持续栽培提供了理论基础。

章节摘要

植物材料与采样点描述

为了调查谷子根际微生物群落的区域差异，两个精英谷子品种——晋谷21和中谷2——被种植在中国山西省五个主要谷子产区：河曲（39.38°N，111.15°E）、定襄（38.47°N，112.96°E）、汾阳（37.27°N，111.79°E）、榆次（37.69°N，112.74°E）和泸州（36.20°N，113.12°E）（图1）。为样本标识，晋谷21样本编码为JH、JD、JF、JDY和JGC，

测序数据与土壤理化性质

细菌16S rRNA基因的V4区通过聚合酶链式反应（PCR）扩增，并在Illumina MiSeq平台上进行测序。从30个根际样本中共生成了3,060,583条原始双端reads。经reads合并和质量过滤后，获得了2,689,668条高质量序列（补充表S2）。在去除嵌合体后，保留了1,927,404条非嵌合序列，每个样本平均64,247条序列（范围：44,088–69,655）。

不同生态区域中谷子品种根际细菌群落的组成和多样性差异

可靠的根际微生物组表征是理解微生物群落如何在不同生态环境中产生差异的前提。在本研究中，测序数据表明具有足够的深度和质量以可靠地表征细菌群落（补充表S2）。Alpha多样性分析显示，两种谷子品种在所有采样点均具有多样的根际细菌群落（图2；补充

结论

在本研究中，我们表征了在代表中国山西省不同生态区域的五个采样点种植的两种谷子品种——晋谷21和中谷2——关联的根际细菌群落在多样性、组成、功能潜力和环境驱动因素方面的差异。值得注意的是，我们的结果表明采样点之间的根际细菌群落存在显著差异，但两种谷子品种的群落结构

作者贡献声明

曹小宁： 撰写-审阅与编辑、可视化、软件、资源、方法论、经费获取、概念构思。冯亮： 可视化、监督、方法论、数据整理。刘思辰： 可视化、监督、方法论、数据整理。杨静： 可视化、监督、方法论、数据整理。Sajjad Ahmad： 撰写-初稿、可视化、软件、方法论、数据整理、概念构思。

未引用参考文献

Ali and Glick, 2024; Anderson, 2001; Callahan et al., 2016; Dastogeer et al., 2020; Escudero-Martinez and Bulgarelli, 2023; Farooqui et al., 2023; Nearing et al., 2022; Park et al., 2023; Raju et al., 2022.

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到以下资助：1. CARS专项资金（CARS-06-15.5-A16），

2. 山西省重点研发计划（202402140601002-03），

3. 现代农业产业技术体系专项资金（2026CYJSTX03-23），

4. 国家作物种质资源中心（NCGRC-2026-026），

5. 山西省工作博士和博士后奖励基金项目（SXBYKY2026064）。

Sajjad Ahmad|冯亮|杨静|刘思辰|曹小宁