沉水与挺水水生植物根际及叶际微生物群落的功能分化与碳氮代谢互作

《Microorganisms》：Functional Differentiation and Metabolic Interactions of Microbial Communities Associated with Submerged and Emergent Aquatic Macrophytes

　　

与水生植物相关的微生物群落参与湖泊生物地球化学循环，但植物生境与环境营养水平如何影响其功能分化与代谢互作仍不清楚。研究人员利用宏基因组学与基因组尺度代谢模型(GSMM)，表征了玄武湖中沉水植物（苦草 Vallisneria natans 与黑藻 Hydrilla verticillata）和挺水植物（芦苇 Phragmites australis 与茭白 Zizania latifolia）在不同营养水平下关联微生物群落的特征。结果显示，与浮游群落相比，植物关联群落（尤其根际）含有更丰富的碳(C)与氮(N)代谢基因。以枢纽分类单元为核心的代谢互作模块(MIM)在沉水植物根际与叶际中结构和预测功能均存在差异：根际中以 Halobacteriota 为枢纽的模块主要从 Burkholderiales 接收碳水化合物与含氮化合物，其 MIM 表现出碳降解与反硝化潜力，且在较高营养水平下增强；叶际中以 Thermoproteota 为枢纽的模块与互作伙伴双向交换铵与尿素，其 MIM 具有硝化与氮还原潜力，而在较高营养水平下以 Pseudomonadota 为枢纽的模块氮转移潜力降低。总体而言，植物生境与营养水平共同与微生物代谢互作及预测的 C、N 循环潜力相关，为淡水湖泊生物地球化学循环提供了新认识。

研究背景与立项依据

淡水湖泊生态修复中，水生植物是维持清水态与净化水质的核心组分。沉水与挺水植物通过根、叶表面定殖微生物，驱动碳(C)、氮(N)等元素循环；然而，植物生境（根际与叶际）及环境营养水平如何共同塑造这些微生物群落的功能分化与种间代谢依赖，长期缺乏基于基因组层面的定量解析。传统共发生网络仅能刻画统计关联，难以揭示代谢底物交换方向。因此，研究人员以南京玄武湖为对象，整合宏基因组学、宏基因组组装基因组(MAG)与基因组尺度代谢模型(GSMM)，系统解析不同生境与营养梯度下微生物群落的功能分化及代谢互作网络。

研究总体设计

研究人员在玄武湖设置挺水植物区(E)、围隔内(SI)与围隔外(SO)沉水植物区及无植被对照区(N)，采集苦草、黑藻、芦苇、茭白的根际(R)、叶际(P)及上覆水体(W)微生物样本，结合水体与沉积物环境参数，开展宏基因组测序、MAG重建、功能基因注释与SMETANA代谢互作建模，旨在明确生境与营养水平对群落结构、C/N功能基因及代谢互作模块(MIM)的影响。

主要关键技术方法

研究人员采用多区域采样队列：挺水植物区、沉水植物围隔内/外区及无植被对照区，按根际、叶际与水体生境分选样本。技术流程包括：Illumina shotgun宏基因组测序；MEGAHIT共组装与MetaWRAP分箱得到非冗余MAG；Kraken2与GTDB-Tk分类；eggNOG-mapper与KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)功能注释；CarveMe构建GSMM；SMETANA全局模式计算代谢互作潜力(MIP)，以MIP≥3构建网络并用Louvain算法识别以枢纽分类单元为核心的代谢互作模块(MIM)，定向预测交换代谢物。

研究结果

3.1 各采样区理化条件

通过原位水质监测与实验室营养盐分析，研究人员发现围隔内沉水区溶氧高、浊度低；围隔外沉积物NO₃^?与TN更高。生境间营养梯度清晰，为后续群落分化分析提供环境背景。

3.2 微生物群落的分类与功能结构

基于NMDS与PERMANOVA，功能谱按生境（根际、叶际、水体）显著聚类；分类差异与功能差异显著相关（Mantel r=0.658）。db-RDA表明根际功能主要受沉积物NO₃^?驱动，叶际分类主要受水体TN影响。根际与叶际富集Burkholderia、Bradyrhizobium等，水体以浮游细菌为主。

3.3 微生物群落的碳氮代谢基因

通过KEGG关键基因丰度分析，C/N代谢基因在根际最丰富，其次叶际，水体最低。根际发酵、反硝化、DNRA（dissimilatory nitrate reduction to ammonium，异化硝酸盐还原为铵）及固碳（CBB循环）基因突出；叶际具硝化基因nxrA。高营养水平下根际反硝化潜力进一步增强。

3.4 MAG的预测功能潜力

400个中高质量MAG中，碳降解（87.5%）与同化硝酸盐还原（ANRA，83%）最普遍。Burkholderiales与Rhizobiales主导固碳、反硝化与DNRA；产甲烷仅见于部分古菌。MAG层级差异与物种层级一致（Mantel r=0.929）。

3.5 微生物群落的代谢互作网络

基于GSMM与SMETANA，研究人员构建MIP≥3网络。沉水根际MIM以Halobacteriota（Methanomicrobiales）为枢纽，从Burkholderiales接收碳水与NH₄⁺，回输氨基酸，具碳降解、反硝化与甲烷代谢潜力，且SO区强于SI区。叶际SI区MIM以Thermoproteota（Methanomethylicales）为枢纽，双向交换NH₄⁺与尿素，具硝化与氮还原潜力；SO区转为Pseudomonadota枢纽，互作简化、氮转移潜力下降。

讨论部分总结

研究人员指出，生境选择与营养梯度共同重塑植物关联微生物的功能架构。根际还原环境与根系分泌物促发Burkholderiales主导的氮循环与交叉喂养；叶际光养与氮化合物交换支持古菌枢纽的硝化耦合还原过程。高营养条件下叶际蓝细菌占比上升会简化网络、削弱代谢互补。基于Black Queen假说，低丰度古菌枢纽依赖细菌公共产物，成为代谢网络关键节点。研究从单一季节宏基因组推断互作，未来需结合转录组、速率测定与多物种对照验证。

结论部分翻译

本研究显示，水生植物关联微生物群落的组成与功能基因谱随生境分化，根际C/N代谢基因最丰富。低营养沉水系统中，根际与叶际基因丰度相近但根际发酵更强。代谢互作预测表明：根际以Halobacteriota枢纽的MIM从Burkholderiales获取碳水与氮化物，具C/N转化潜力，高营养下互作更广、反硝化与DNRA潜力更高；叶际低营养下以Thermoproteota枢纽双向交换氮化合物，具硝化与氮还原潜力，高营养下转为Pseudomonadota枢纽且转化潜力降低。总之，植物生境与营养水平共同关联微生物代谢互作及预测的C、N循环潜力，为淡水湖泊生物地球化学循环提供新见解。

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