植物功能性状与油茶树间作系统氮循环功能潜力的关联

《Rhizosphere》：Plant functional traits associate with nitrogen-cycling functional potential in Camellia oleifera intercropping systems

　　• 间作作物种类解释了92.2%的nirK型反硝化群落变异，超过总细菌群落（45.0%）的两倍。• BLASTN验证的ASV显示每种间作作物具有独特的反硝化基因型，且各处理之间无ASV重叠。• 西瓜间作表现出最强的肥力提升效果，但N?O排放潜力不确定性最大。• 甘薯间作表现出最低的N?O排放不确定性，并由多层次功能冗余支持。• 提出了一个可测试的"性狀-微生物组-生态系统服务"框架，用于根际管理。## 引言油茶（*Camellia oleifera*）是中国一种重要的木本油料作物。其产生的茶油富含不饱和脂肪酸和生物活性化合物，品质优良，在乡村经济发展和食用油安全方面发挥着重要作用（Chen et al., 2024）。然而，油茶林的长期单一种植往往导致严重的土壤肥力退化、养分利用效率低下以及生态系统服务功能下降，严重制约了产量稳定性和产业的可持续发展（Su et al., 2024; Zhang et al., 2024a, Zhang et al., 2024b）。在新建种植园和低产老龄林分更新中，亟需通过切实可行的措施迅速恢复土壤活力并增强系统韧性。利用精心设计的间作体系发挥植物多样性优势，被广泛认为是提高农业生态系统生产力和可持续性的有效生态策略（Ma et al., 2024）。间作可通过资源互补和生态位分化改善土壤结构、促进养分循环并抑制土传病害（Xiao et al., 2023）。对茶园系统的研究表明，特定的间作植物能够改善土壤微生物群落并提高茶叶品质（Yang et al., 2024; Peix et al., 2015）。然而，现有大多数研究仍停留在对植物多样性效应的宏观描述或特定作物组合农艺性能评估的层面。一个核心的机制性问题仍未得到充分解答：不同的间作作物如何通过根系重塑根际微生态，从而实现土壤修复或养分富集等不同的生态功能？由于缺乏此类机制框架，当前间作实践严重依赖经验知识，难以实现基于微生物功能调控的精准根际管理。将地上植物功能性状与地下微生物群落组装联系起来，是弥补这一知识空白的一条有前景的途径。具有不同经济价值和生存策略的植物表现出不同的根系功能性状——例如，低分子量有机酸的外排、生物活性硫苷水解产物的释放，或多种碳源的持续输入（Tagele et al., 2021; Agbede et al., 2024; Gao et al., 2018）。这些根源化学信号，即根系分泌物，可以作为一种强有力的"生物过滤器"，对土壤微生物库施加特定的选择压力（Bajiu et al., 2024; Zhang et al., 2024a, Zhang et al., 2024b）。我们假设，决定根际微生物群落组装结果的关键因素并非间作作物本身，而是这些核心根系功能性状，它们能够定向招募具有相应代谢能力的功能特化微生物类群。在本研究中，"植物功能性状"操作性地定义为用于物种选择的对比性、有文献记录的根系功能特征，而非现场测量的性状。三种伴生作物分别代表已确立的功能类别：油菜（*Brassica napus*）用于硫苷介导的生物熏蒸，西瓜（*Citrullus lanatus*）用于有机酸外排，甘薯（*Ipomoea batatas*）用于持续碳输入。基于这些已知性状差异，每种作物预计在可预测且依赖性状的方式下富集与不同根际过程（如养分活化或病害抑制）相关的功能群。反硝化途径是根际氮循环的关键节点，而由亚硝酸盐还原酶催化的亚硝酸盐（NO??）还原为一氧化氮（NO）是该过程的关键限速步骤（Wang et al., 2021a, Wang et al., 2021b）。编码含铜亚硝酸盐还原酶的nirK基因直接控制该步骤，其丰度和群落组成可作为反硝化群落潜在活性和功能分化的指标。与16S rRNA等反映总细菌群落的通用分类标记不同，nirK提供了一个以功能基因为中心的视角，能够捕捉直接参与反硝化的特定微生物群落。这一选择进一步得到了先前提出的发现的支持：与携带nirS或nosZ的群落相比，植物种类效应在对nirK型反硝化菌上最强（Ba?eras et al., 2012），使nirK成为检测反硝化功能群落中与植物相关分化的最敏感标记。鉴于本研究旨在评估间作作物种类对反硝化群落植物诱导功能分化的影响，靶向nirK扩增子测序比全群落分析提供了更具生态相关性和机制信息量的方法，使我们能够直接将植物功能性状与关键氮转化过程联系起来。为检验这一假设，我们建立了一个油茶与三种伴生作物的田间间作试验。三种间作物种根据其独特的根系功能性状进行选择：油菜（*Brassica napus*），以其通过释放硫苷进行生物熏蒸的潜力著称（Tagele et al., 2021）；甘薯（*Ipomoea batatas*），其发达的根系提供大量多样化的碳输入（Agbede et al., 2024）；西瓜（*Citrullus lanatus*），其活跃外排柠檬酸和苹果酸等有机酸（Gao et al., 2018）。通过整合土壤物理化学分析、高通量16S rRNA基因测序、靶向功能基因（nirK）分析和基于PICRUSt2的功能推断，本研究旨在：(1) 检验不同根系功能性状是否与nirK群落组成和功能潜势的不同模式相关；(2) 探索这些微生物分化模式如何与土壤养分特性相对应；(3) 提出"植物功能性状-微生物功能潜势-生态系统服务"框架，以进行原理验证。本研究为理解间作系统中的植物-微生物关联提供了实证基础，并为设计油茶种植园的靶向根际管理策略提供了潜在参考。## 章节摘要### 研究场地实验场地位于湖南省永州市冷水滩区高溪市镇利湾村（纬度26.42°，经度111.52°）。该地区属亚热带季风湿润气候，气候资源丰富，四季分明，光热充足。土壤类型多样，以红壤和水稻土分布最广。平均海拔142米。年均降水量1139.0毫米。该场地有连续种植的历史。### 三种间作模式对土壤物理化学性质的影响三种间作模式显著改变了土壤物理化学性质（表1）。Kruskal-Wallis检验结果表明，除土壤总孔隙度（STP）外，所有测量的土壤参数在各处理组之间存在显著差异（p < 0.05；表2）。多元方差分析（MANOVA）进一步证实，耕作模式对土壤变量的整体组合具有极显著影响（Wilks' λ = 4.42 × 10??, p = 0.0018）。西瓜间作### 讨论一个值得讨论的方法学考量是：处理因素对nirK群落的异常高解释力（PERMANOVA, R2 = 0.922）。虽然这类数值在典型的微生物组研究中不常见，但多条证据表明，这一高R2值反映了真实的生物学信号，而非统计伪迹。首先，实验设计为单因素四水平设计，这意味着所有被解释的变异都集中在这单一因素上。### 结论通过整合土壤物理化学分析、16S rRNA和nirK功能基因测序，本研究系统考察了油茶间作系统中植物功能性状与根区微生物群落功能潜势之间的关联。主要结论如下：(1) 间作作物种类解释了nirK反硝化功能群落92.2%的变异（PERMANOVA, R2 = 0.922），超过总细菌群落解释比例的两倍。### CRediT作者贡献声明**冯新婷**：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，验证，项目管理，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念设计。**周志军**：调查。**蒋颖**：调查。**曹国义**：调查。**郑琼**：调查。**吴梦**：调查。**彭少峰**：资金获取。**曾燕玲**：指导，资源，方法学，资金获取。### 利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本研究得到了岳麓实验室培育计划（YLS-2025-ZY02048）和本科生创新训练项目（S202410538005, S20250006）的支持。我们还感谢中南林业科技大学木本油资源利用国家重点实验室、非木质林产品省部共建重点实验室以及油茶国家工程研究中心提供的实验平台和技术支持。冯新婷|周志军|蒋颖|曹国义|郑琼|吴梦|彭少峰|曾燕玲