云南橡胶园根际微生物群落及氮磷循环功能基因的变异特征研究

《Frontiers in Microbiology》：Variation in rhizosphere microbial communities and nitrogen- and phosphorus-cycling functional genes among rubber plantations in Yunnan, China

　　

引言：根际微生物是土壤养分转化的重要参与者。然而，云南省不同橡胶园根际微生物群落组成及氮（N）和磷（P）循环功能基因谱系的变异仍不清楚。 方法：采用宏基因组测序（metagenomic sequencing）技术，比较了中国云南省五个主要天然橡胶产区——耿马（MD）、西盟（XM）、勐腊（ML）、景洪（JH）和江城（JC）——橡胶园根际微生物群落组成及氮和磷循环功能基因谱系。 结果：五个橡胶园之间细菌和真菌群落组成及氮和磷循环功能基因谱系存在显著差异。JC的真菌多样性和丰富度较高，但其细菌多样性显著低于MD。细菌群落以假单胞菌门（Pseudomonadota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和放线菌门（Actinomycetota）为主，且JC中酸杆菌门的相对丰度显著高于JH。此外，毛霉门（Mucoromycota）、子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为真菌群落的优势门。在功能水平上，与JC相比，ML中与氮循环相关的关键基因显著富集，包括氮同化（glnA、gltB、gltD）、异化硝酸盐还原为铵（DNRA）（narG、narH、nirB）、硝化作用（nxrA、nxrB）和反硝化作用（napA、napB）。此外，与JC相比，MD中nosZ基因也显著富集。在磷循环方面，与JC相比，MD中与高亲和力磷酸盐转运蛋白（pstA、pstB、pstC）和多聚磷酸盐降解（ndk）相关的基因显著富集，而有机磷矿化相关基因phnX则呈现相反趋势。同时，与MD相比，ML中与多聚磷酸盐降解相关的基因ppk2显著富集，而无机磷溶解相关基因pqqC则呈现相反模式。层次分割（hierarchical partitioning）分析确定土壤pH、全磷（TP）和全钾（TK）是与细菌群落组成和磷循环功能基因谱系变异显著相关的主要因素。 结论：综上所述，所调查橡胶园之间根际细菌和真菌群落组成以及与氮和磷循环相关的功能基因谱系存在显著差异。这些变异与土壤理化因子密切相关。这些发现可为橡胶园进一步制定位点特异性养分管理策略提供微生物学基础。

一、研究背景与科学问题

土壤微生物是生物地球化学循环的重要组成部分，在生态系统功能中发挥着关键作用。根际作为植物-微生物-土壤互作的关键界面，其养分有效性和微环境条件通常与土体土壤存在显著差异。在根际微环境中，根系分泌物（包括有机酸、糖类、氨基酸和信号分子）改变了局部碳供应、pH值和养分有效性，并对不同微生物类群产生趋化、刺激或抑制作用，这些过程共同塑造了根际微生物群落的组装和潜在生态功能。根际微生物驱动有机质分解、氮转化以及磷矿化和溶解过程，从而影响植物养分获取、抗逆性和整体土壤肥力。

巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）是天然橡胶的主要来源，主要种植于热带地区。橡胶园土壤通常具有强酸性、高度风化、养分保持能力有限的特点。在此类土壤中，铁和铝氧化物可增强磷的吸附和固定，从而限制磷的有效性。同时，氮转化可能受土壤酸度、碳供应、水分状况和氮肥投入的共同调控。长期单一栽培和集约化管理通常依赖氮磷肥投入来维持橡胶树生长和产量，但过量或不合理的施肥往往伴随养分利用效率低下及一系列不利的环境后果，包括水体富营养化、温室气体（如一氧化二氮）排放增加和土壤酸化加速。因此，解析驱动氮磷转化的土壤微生物组功能潜力及其对土壤养分状况的响应，对于优化橡胶农业生态系统中的施肥策略和降低生态风险至关重要。

以往关于橡胶园土壤微生物组的研究主要集中于局域尺度群落组成及其与土壤性质的关系，而云南省主要橡胶产区不同橡胶园之间根际微生物组成和功能潜力的差异仍知之甚少。宏基因组测序（metagenomic sequencing）作为同时表征微生物群落分类组成和功能潜力的有力工具，相较于传统扩增子测序，能更全面地阐明与微生物介导生态过程（如氮磷循环）相关的遗传潜力，从而推动研究从群落结构描述向功能潜力评估的深入发展。

二、研究内容与主要结论

研究人员采集了云南省五个主要天然橡胶产区（耿马MD、西盟XM、勐腊ML、景洪JH和江城JC）各一个代表性国营橡胶企业种植基地的橡胶树根际土壤样品，共设置20个样地（五个种植点×每点四个样地），于2025年8月进行采样。通过宏基因组测序比较了不同橡胶园根际微生物群落组成及氮磷循环功能基因谱系的差异，并探讨了微生物类群、功能基因组合与关键环境变量之间的耦合关系。研究结果表明，五个橡胶园之间根际细菌和真菌群落组成以及氮磷循环功能基因谱系均存在显著差异，这些变异与土壤理化因子密切相关，可为橡胶园制定位点特异性养分管理策略提供微生物学基础。

三、关键技术方法

研究人员采用宏基因组测序技术对20个根际土壤样品（五个种植点×四个样地）进行了分析。具体包括：使用FastDNA Spin Kit for Soil提取总基因组DNA，在Illumina NovaSeq平台（PE150）上进行鸟枪法宏基因组测序；使用fastp（v0.23.0）进行质量控制，MEGAHIT（v1.1.2）进行de novo共组装；使用Prodigal（v2.6.3）和MetaGene预测开放阅读框（ORFs）；使用CD-HIT（v4.6.1）构建非冗余基因目录；使用SOAPaligner（v2.21）进行基因丰度估计；使用DIAMOND（v0.8.35）比对NCBI NR数据库进行物种分类，比对KEGG数据库进行功能注释。同时测定了土壤理化性质，包括pH、有机质（SOM）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（AP）、速效钾（AK）和全钾（TK）。

四、研究结果

3.1 土壤理化性质的变化：MD中SOM、TP和AN含量显著高于ML和JC（p < 0.05）；MD的TK含量最低，显著低于其他四个橡胶园；XM中TN含量显著高于ML和JC，TK含量显著高于所有其他橡胶园；XM中AK含量显著高于ML。总体而言，MD和XM的大多数土壤性质值较高。

3.2 橡胶园间土壤微生物群落组成：PCoA显示细菌和真菌群落组成在不同橡胶园间存在分离。ANOSIM和PERMANOVA进一步证实了不同橡胶园间根际细菌（ANOSIM: R = 0.373, p = 0.001; PERMANOVA: R² = 0.362, p = 0.012）和真菌群落组成（ANOSIM: R = 0.216, p = 0.012; PERMANOVA: R² = 0.327, p = 0.023）存在显著差异。

3.2.1 细菌群落组成：MD的细菌Shannon指数显著高于JC（p < 0.05），但Chao1指数无显著差异。门水平上，细菌群落以假单胞菌门（Pseudomonadota，35.47–42.52%）、酸杆菌门（Acidobacteriota，18.79–27.19%）和放线菌门（Actinomycetota，13.40–19.52%）为主，JC中酸杆菌门相对丰度显著高于JH。属水平上，Bradyrhizobium（11.07–14.88%）、Candidatus Acidiferrum（6.75–11.06%）和Pseudolabrys（5.70–8.16%）为优势属，JC中Candidatus Acidiferrum相对丰度显著高于JH。

3.2.2 真菌群落组成：JC的真菌Shannon指数显著高于ML，Chao1指数显著高于XM。门水平上，真菌群落以毛霉门（Mucoromycota，28.88–54.52%）、子囊菌门（Ascomycota，21.80–43.38%）和担子菌门（Basidiomycota，16.10–29.76%）为主，优势门相对丰度无显著差异。属水平上，JC中Lyophyllum和Lasallia相对丰度显著高于ML，Coccidioides和Blastomyces显著高于XM；XM中Zopfia显著高于MD。

3.3 微生物功能基因组成：PCoA显示氮磷循环功能基因组成在不同橡胶园间存在明显分化，前两轴分别解释了氮和磷循环基因组成总变异的70.09%和58.12%。ANOSIM显示氮磷循环功能基因组成在不同橡胶园间存在显著差异（R = 0.42和0.4001，p ≤ 0.004）。PERMANOVA显示种植点身份分别解释了氮和磷循环基因组成变异的55.75%和37.16%。

3.3.1 氮循环功能基因：共鉴定出37个氮循环相关基因。与JC相比，ML中与氮同化、异化硝酸盐还原为铵（DNRA）和硝化作用相关的基因显著富集。具体包括氮同化基因（glnA、gltB、gltD）、DNRA基因（narG、narH、nirB）和硝化基因（nxrA、nxrB）。反硝化途径中，napA和napB在ML中富集，nosZ在MD中富集（均与JC相比），ML中nirS丰度显著高于MD。

3.3.2 磷循环功能基因：共鉴定出51个磷循环相关基因。与JC相比，MD中与磷转运相关的基因显著富集，ML中与多聚磷酸盐降解相关的基因显著富集。具体而言，MD中高亲和力磷酸盐转运蛋白基因（pstA、pstB、pstC）和ndk基因显著高于JC，而有机磷矿化基因phnX呈相反趋势；MD中pqqC显著高于ML，而ppk2呈相反模式；MD和ML中ndk均显著高于JC。

3.4 微生物群落、功能基因与土壤环境因子的关系：Mantel分析显示细菌群落组成和磷循环功能基因谱系主要受pH、TP和TK影响；真菌群落组成与AK呈弱但显著的相关性（r = 0.1990, p < 0.01）；氮矿化和反硝化相关基因谱系主要受SOM和AN影响。RDA模型对细菌群落和氮磷循环功能基因谱系显著（p < 0.05），但对真菌群落不显著。土壤性质分别解释了细菌群落组成、真菌群落组成、氮和磷循环功能基因丰度谱系变异的43.81%、3.90%、17.95%和36.49%（校正R²）。层次分割表明土壤pH、TP和TK是细菌群落组成和磷循环功能基因谱系变异的主要解释因子，TK对氮循环功能基因谱系变异的独立贡献最大。

五、讨论与结论

讨论部分指出，细菌多样性差异主要归因于群落均匀度而非类群数量的差异；酸杆菌门在JC中的富集可能反映了该地区相对较低的养分有效性。真菌α多样性的不同变异模式可能与其菌丝网络和空间觅食能力有关。ML微生物群落具有更强的氮转化和保留遗传潜力，MD微生物群落具有更强的N?O消耗潜力。MD微生物群落在高亲和力磷酸盐转运和PQQ相关无机磷溶解方面具有更强的遗传潜力，JC微生物群落在膦酸盐利用方面潜力更大，ML微生物群落在多聚磷酸盐代谢方面潜力更大。这些发现为橡胶园位点特异性养分管理提供了微生物学基础，但宏基因组功能基因丰度反映的是功能潜力而非实际养分转化活性，仍需田间验证。

结论：本研究系统表征了云南省五个主要天然橡胶园根际微生物群落及其氮磷循环功能基因谱系的变异特征。不同橡胶园间根际细菌和真菌群落组成以及氮磷循环功能基因谱系存在显著差异。所测土壤理化性质与细菌群落组成和氮磷循环基因谱系的变异显著相关（p < 0.05），但对真菌群落变异无显著解释作用，表明细菌和真菌群落对所测土壤环境梯度的响应不同。土壤pH、TP和TK是细菌群落组成和磷循环基因谱系变异的主要相关因子，而TK对氮循环基因谱系变异的独立贡献最大。总体而言，云南橡胶园根际微生物群落在分类组成和氮磷循环遗传潜力方面表现出显著分化，且与当地土壤理化条件密切相关。这些发现为制定橡胶园区域特异性养分管理策略提供了微生物学基础。然而，宏基因组功能基因丰度反映的是功能潜力而非实际养分转化活性，未来研究应整合功能基因转录分析、土壤酶活性测定、稳定同位素示踪或氮磷转化速率的直接测定，结合跨季节采样和田间管理试验，进一步阐明橡胶园根际微生物功能、养分循环与植物养分利用之间的关系。