捕食性原生生物介导的不同土壤食物网通路支撑甘蔗糖积累与生长的互补表现

《Rhizosphere》：Distinct soil food-web pathways mediated by predatory protists underpin complementary dimensions of sugarcane performance

　　

原生生物（protists）是甘蔗表现（sugarcane performance）最强的微生物预测因子（microbial predictors）。
细菌食性原生生物–细菌通路（Bacterivore–bacteria pathways）与糖积累（sugar accumulation）相关联。
真菌食性原生生物–真菌通路（Fungivore–fungi pathways）与植物生长（plant growth）相关联。
独特的土壤食物网（soil food-web）通路支撑植物表现（plant performance）的互补维度。
土壤微生物组（soil microbiome）通过多种营养途径（trophic pathways）发挥作用。

论文解读：捕食性原生生物介导的土壤食物网通路与甘蔗表现互补维度

研究背景与问题：根际（rhizosphere，受植物根系直接影响的土壤区域）中，植物根系分泌有机酸、氨基酸和糖类等根系分泌物，为细菌和真菌提供碳源和能源。细菌和真菌是根际微生物组的重要组分，可影响植物健康和生产力；其中植物促生根际细菌（plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR）可增强固氮、溶磷和病害抑制，真菌可促进养分矿化、有机质分解和植物养分吸收。与此同时，捕食性原生生物（predatory protists）包括食细菌原生生物（bacterivorous protists）和食真菌原生生物（fungivorous protists），是细菌和真菌群落的重要调节者，可调节细菌和真菌能量通道，加速养分周转并释放植物可利用养分。已有研究多关注单一营养级，主要是细菌和真菌，对土壤食物网动态关注有限；尽管有研究将原生生物驱动的食物网动态与病害植物健康联系，但其提升植物表现（plant performance）的潜力关注较少。研究人员在热带岛屿日本石垣岛甘蔗田开展研究，因为热带土壤常具有强烈的微生物捕食者–猎物互作；试验设置四种施肥处理和三个初始土壤化学性质不同的田块，形成环境梯度，以解析根际土壤食物网动态与甘蔗（sugarcane）生长和糖积累的关系。作者包括 Rasit ASILOGLU、Hana KUBOTA、Miwa ARAI、Kenta IKAZAKI、Yoshifumi TERAJIMA、Takashi KANDA 和 Toshihiko ANZAI。

技术方法概要：样本队列来自日本冲绳县石垣岛三个甘蔗田，田块初始土壤化学性质不同；设置化学肥料（chemical fertiliser, CF）与滤泥（filter cake, FC）、牛粪（cattle manure, CM）、蔗渣（bagasse, BG）三种有机肥处理，种植 Saccharum officinarum L. cv. Ni27。前期6个月散土细菌和原生生物数据已有报道，本研究聚焦18个月采样。采集0–10 cm散土和根际土；测定土壤化学性质；提取DNA后扩增16S rRNA基因和18S rRNA基因，Illumina MiSeq测序；用QIIME 2/DADA2处理，以SILVA和PR2数据库注释，并以EukFunc和文献人工分配食细菌、食真菌原生生物；计算α/β多样性，进行主坐标分析（principal coordinate analysis, PCoA）、置换多元方差分析（permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA）、主成分分析（principal component analysis, PCA）、随机森林、共现网络和结构方程模型（structural equation modelling, SEM）分析。

研究结果：
3.1 施肥和田间变异形成土壤性质与植物表现的环境对比。研究人员通过热图和方差分析发现，施肥和田块造成土壤化学性质明显差异；有机肥尤其牛粪通常与较高的有效养分和部分交换性阳离子相关，而pH、电导率（electrical conductivity, EC）、总碳、总氮、C/N比、阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）和碱基饱和度（base saturation, BS）呈田块依赖响应。双因素方差分析显示，EC、总碳、总氮、C/N比、有效磷和有效氮受施肥和/或田块显著影响。植物生长和生产力也因处理和田块而异：有机肥通常改善植物生长性状，尤其在Field 1；糖产量随有机肥增加，但Brix、糖含量和商业蔗糖（commercial cane sugar, CCS）在Field 3更高，表明植物表现响应环境对比而非统一的施肥效应。

3.2 环境对比塑造微生物群落。研究人员通过α和β多样性分析发现，施肥和田块未显著影响散土或根际中细菌、原生生物和真菌的Shannon α多样性，但原生生物α多样性在根际有低于散土的趋势。β多样性在生境、田块和施肥处理间明显分离；PERMANOVA显示，田块变异解释细菌和真菌β多样性最大比例，而生境对原生生物β多样性解释最强。优势类群方面，细菌中 Acidobacteriae 最多，散土中 Ktedonobacteria、根际中 Gammaproteobacteria 较多；原生生物中 Filosa-Sarcomonadea（Cercozoa）最多，散土中 Colpodea 和 Chlorophyceae 也较高；真菌中 Mucoromycotina 占比较大。总氮、C/N比和交换性K对三组微生物均有影响，其他土壤性质仅对特定微生物组显著。随机森林识别出各施肥处理下的主要预测ASV，散土与根际的主要预测类群总体共享但贡献不同。

3.3 营养微生物关联与糖表现和植物生长。随机森林分析表明，原生生物对糖表现和植物生长贡献最高，其次是细菌对糖表现、真菌对植物生长。糖表现前20个ASV中，原生生物ASV尤其食细菌原生生物最重要，细菌ASV排序高于真菌。植物生长前20个ASV中，最重要的为严格食真菌原生生物 Vampyrellida, Platyreta，其次为潜在杂食者 Cercozoa, Cercomonas 和真菌 Mortierella。共现网络显示，细菌组内关联最多，原生生物–细菌跨域关联多于原生生物–真菌。直接正关联方面，糖表现与细菌ASV关联最多，其次为真菌和原生生物；植物生长与真菌ASV关联最多，其次为细菌和原生生物。糖表现相关细菌多为 Acidobacteriota，植物生长相关细菌多为 Proteobacteria；Ascomycota 在糖表现和植物生长中关联真菌ASV最多；原生生物关联主要属于 Rhizaria。

3.4 原生生物相关微生物能量通道与糖表现和植物生长相关联。尽管原生生物是最强预测因子，但其与植物表现性状的直接正关联少于细菌和真菌，提示其作用可能主要通过细菌和真菌能量通道间接实现。SEM显示，土壤性质与食细菌原生生物（β = 0.721, P < 0.001）和食真菌原生生物（β = 0.508, P < 0.001）正相关；二者分别与细菌群落（β = 0.669, P < 0.001）和真菌群落（β = 0.647, P < 0.001）相关。细菌群落组成与糖表现相关（β = 0.691, P < 0.001），真菌群落组成与植物生长相关（β = 0.636, P < 0.001）；真菌到糖表现、细菌到植物生长的跨域路径不显著（P > 0.05）。模型拟合统计为χ² = 22.46，df = 13，P = 0.049，CFI = 0.912，RMSEA = 0.090，SRMR = 0.088，原文提示整体拟合存在限制，解释时应谨慎。

讨论部分总结：研究结果表明，施肥实践和田间特定土壤条件共同塑造细菌、真菌和原生生物群落组装；有机肥改变养分有效性和交换性阳离子，田块差异也很大。与已有研究一致，这些环境变异导致微生物群落组成变化，但对α多样性影响有限；总碳、C/N比和CEC是重要决定因素。细菌和真菌主要受田块结构化，原生生物更受生境（散土与根际）影响。原生生物对糖表现和植物生长预测力最高，支持微生物捕食者可能在植物表现中同等或更重要。原生生物直接关联少，SEM提示其通过细菌和真菌群落间接连接植物表现。糖表现相关通路由食细菌原生生物–细菌通道主导，原文讨论提出这可能与有益细菌促进生物固氮、溶磷、铁载体产生和植物激素合成等有关，从而增强蔗糖积累、Brix、可溶性糖浓度和糖产量。植物生长主要关联食真菌原生生物–真菌通道，有益真菌如丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）和 Trichoderma spp. 可通过改善养分获取和根系发育促进植物表现；食真菌原生生物可能通过调控真菌群落结构间接有利，但原文指出该假设仍需进一步研究，直接证据缺乏。原文还指出，细菌和真菌可能都参与植物生长和糖积累，但相对重要性不同；生物量与糖浓度、植物生长指数与糖表现指数在本数据集中无显著相关，提示这些作物表现组分独立。限制包括：真菌群落使用18S rRNA基因V9区而非ITS区或AMF特异引物，能评估较广真菌类群但分辨率较粗，未来应使用AMF特异引物。

研究结论翻译：该研究证明，甘蔗表现与同一根际食物网内不同的微生物营养通路相关。在对比施肥制度和田间环境中，原生生物成为连接微生物群落与植物表现的中心调节者。特别地，食细菌原生生物–细菌通路与糖相关性状关联更强，食真菌原生生物–真菌通路与植物生长关联更强。尽管这些营养通路需要微生物操纵实验进行因果确认，与植物表现互补维度相关的不同营养通路的出现，提示根际食物网功能中一个此前未被充分认识维度。研究人员的发现提出，不同营养通路可能贡献植物–土壤系统中的不同生物功能，而非将土壤微生物组视为单一功能单元。该概念框架为未来研究解析土壤食物网与作物生产力之间的生态机制提供基础。