中国西北干旱区沙棘（*Hippophae rhamnoides* subsp. *sinensis* Rousi）根部内生细菌群落的地理变异特征

《Microorganisms》：Geographic Variation Characteristics of Endophytic Bacterial Communities in Roots of Hippophae rhamnoides subsp. sinensis Rousi in the Arid Region of Northwest China

　　

作为一种广泛分布于中国西北干旱区的特有木本植物资源，沙棘（*Hippophae rhamnoides* subsp. *sinensis* Rousi）兼具生态与药用价值。阐明气候和土壤条件对其根部细菌群落的组成、结构及功能的影响，对于在水资源有限地区开发和利用该本土植物资源具有实际意义。本研究从中国西北干旱区的12个采样点采集沙棘根样本，采用高通量扩增子测序技术分析细菌组成、α和β多样性、分子共现网络及基于PICRUSt的功能预测，并应用Mantel检验和冗余分析（RDA）识别与细菌群落结构塑造相关的因素。主要结果如下：（1）各采样点之间ASV（Amplicon Sequence Variant，扩增子序列变异）数量存在显著差异，P8位点最多（435个），P5位点最少（156个）。群落优势门为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和蓝藻门（Cyanobacteria）。（2）12个采样点的α和β多样性均表现出显著分化。P8采样点的Ace和Chao1指数最高，P5采样点最低。在群落聚集方面，P7和P12采样点聚集更紧密，而P4和P5采样点的细菌组合更为分散。（3）功能预测表明，代谢、环境信息处理和遗传信息处理功能潜力在12个采样点中可能均占主导。P9采样点的环境信息处理功能潜力丰度高于其他11个采样点，而遗传信息处理功能潜力较低。（4）聚类分析将12个采样点分为两组：P10、P11和P12归为Group 1，其余9个采样点归为Group 2。（5）RDA（冗余分析）显示，海拔（ALT）与沙棘根部内生细菌群落结构的塑造相关，其次为土壤全氮（STN）。综上所述，本研究调查和采样的沙棘种群主要分布于中性至碱性干旱土壤中。相关环境因子与该物种根部内生细菌的α多样性模式显著相关，并可调节这些根部内生细菌的群落组装过程、功能分配特征及共现网络结构。

**论文解读文章：中国西北干旱区沙棘根部内生细菌群落的地理变异特征**

**研究背景与问题**

沙棘（*Hippophae rhamnoides* subsp. *sinensis* Rousi）是中国西北干旱区广泛分布的特有木本植物，具有生态修复和药用双重价值。在干旱区，气候格局和土壤性质的空间分异会驱动植物群落重组，进而影响其根部内生细菌群落结构。然而，目前对中国西北干旱区沙棘根部内生细菌群落结构及其与环境因子关联的系统研究尚属空白。已有研究虽涉及沙棘根际土壤微生物（如放线菌门丰度与海拔、土壤含水量相关），但针对根部内生细菌（定殖于植物内部组织而不引起病害的微生物）的群落组成、功能潜力及驱动因素缺乏系统解析。因此，本研究旨在填补这一空白，以12个天然沙棘种群为对象，结合高通量测序、土壤理化性质测定和气候数据收集，分析根部内生细菌群落结构与功能的分异规律，识别关键环境驱动因子，为沙棘在植被恢复和生态屏障建设中的应用提供微生物学理论基础。

**研究方法**

研究人员于2023年7月至8月，在中国青海、甘肃、新疆三省（区）共设置12个采样点（P1–P12，具体包括青海省平安区、循化县、化隆县、门源县、玛沁县、大通县、湟中区、贵南县、同德县，甘肃省民乐县、永登县，新疆维吾尔自治区和静县）。每个采样点采用S形样线设置9个重复采样单元，采集沙棘根样本及其根际土壤。根样本经表面消毒（75%乙醇30秒、3%次氯酸钠3分钟、无菌水漂洗5次）后，提取DNA，采用Illumina MiSeq PE300平台对16S rRNA基因V4区进行高通量扩增子测序（引物515F/806R）。土壤样本测定pH、电导率（SEC）、含水量（SWC）、有机质（SOM）、全氮（STN）、全磷（STP）、全钾（STK）、速效氮（SAN）、速效磷（SAP）、速效钾（SAK）等10项指标。数据分析包括：QIIME 2进行序列降噪生成ASV及物种注释，计算α多样性指数（ASV丰富度、Shannon、Simpson、Pielou、Chao1、ACE等），基于Bray–Curtis距离的PCoA分析β多样性，LEfSe分析差异指示物种，PICRUSt预测功能潜力（KEGG Level 1–3），Networkx构建属水平共现网络，Mantel检验和RDA分析环境因子与群落多样性的关联。

**研究结果**

**3.1 16S测序质量与ASV丰度变化：** 稀释曲线在1000–1500条序列时趋于平缓，覆盖度>95%。P8采样点ASV数量最高（435个），P5最低（156个），12个采样点共享23个核心ASV。

**3.2 物种组成与相对丰度变化：** 门水平优势菌为变形菌门（Proteobacteria，19.60–89.96%）、放线菌门（Actinobacteriota，4.86–67.56%）和蓝藻门（Cyanobacteria，0.04–39.80%）。P1、P4–P9以变形菌门为主；P2、P10–P12以放线菌门为主。属水平优势菌包括沙雷氏菌属（*Serratia*）、弗兰克氏菌属（*Frankia*）、假单胞菌属（*Pseudomonas*）、链霉菌属（*Streptomyces*）等，各采样点丰度差异显著。

**3.3 LEfSe分析：** 共鉴定12个预测指示物种（LDA>4.0），如P3的*Promicromonospora*（LDA=5.00）、P7的*Pseudomonas*（LDA=5.42）、P12的*Streptomyces*（LDA=5.31）等。

**3.4 群落多样性分析：** α多样性：P8采样点ASV丰富度、Chao1和ACE指数最高（分别为246.67、271.16、273.44），P5最低；P1的Shannon指数最高（3.78），P10最低；Pielou指数以P9最高（0.71）。β多样性（PCoA）：PC1和PC2解释度分别为18.46%和10.76%，P7和P12采样点组内聚集最紧密，P4和P5最分散。

**3.5 共现分子网络：** 网络包含506个节点、1812条边，平均度7.16，平均路径长度3.71，聚类系数0.58。变形菌门和放线菌门占据核心位置（度中心性和接近中心性最高），正相关关系占主导。

**3.6 功能预测：** Level 1功能中，代谢功能潜力占比最高（47.24–56.02%），其次为环境信息处理（14.54–19.14%）、遗传信息处理（13.01–15.63%）。P9采样点环境信息处理潜力最高，但遗传信息处理潜力最低。Level 2中，膜运输（Membrane_Transport）、氨基酸代谢（Amino_Acid_Metabolism）和碳水化合物代谢（Carbohydrate_Metabolism）为前三核心功能。Level 3中，转运蛋白（Transporters）和ABC转运蛋白（ABC_transporters）为预测潜力最高的功能模块。

**3.7 聚类分析：** 基于门水平相对丰度的Bray–Curtis层次聚类在距离0.47处将12个采样点分为两组：Group 1（P1–P9）和Group 2（P10–P12）。Group 1内部进一步分为两个亚组，Group 2中P11单独聚类。

**3.8 环境因子与群落多样性耦合关系：** Mantel检验显示，Shannon、Simpson和Pielou指数与土壤速效钾（SAK）显著相关（p<0.05）；土壤有机质（SOM）、全氮（STN）、全磷（STP）与pH显著负相关，全氮与含水量显著正相关。RDA分析表明，前两轴解释变异37.60%，其中海拔（ALT）解释率最高（7.0%，贡献率18.2%），土壤全氮（STN）次之（6.0%，贡献率15.6%），是驱动沙棘根部内生细菌群落结构变异的主要环境因子。

**讨论与结论**

**讨论部分总结：** 沙棘根部内生细菌群落结构在不同采样点间呈现显著分化，P8采样点ASV数量最高，可能与碱性干旱土壤促进互惠共生有关；低土壤全氮条件下，沙棘可能通过分泌酶和有机物质招募固氮等功能菌群。优势菌门（变形菌门、放线菌门、蓝藻门）在群落中占据不可替代的功能地位，其丰度变化与土壤含水量等环境因子相关。共现网络以正相关为主，变形菌门和放线菌门构成核心骨架，维持群落稳定性。功能预测显示代谢功能潜力主导，P9采样点遗传信息处理潜力较弱，可能受恶劣生境资源限制。Mantel检验和RDA共同揭示海拔和土壤全氮是塑造群落结构的关键因子，海拔通过影响温度和土壤养分间接调控细菌多样性。

**研究结论（翻译）：** 本研究以中国西北干旱区沙棘为植物材料，分析了其根部内生细菌的群落组成及与环境因子的相关性。主要结论如下：（1）12个采样点细菌ASV数量差异显著，P8采样点最多（435个），约为P5采样点（156个）的2.8倍；在细菌α多样性指数方面，P8采样点的Ace和Chao1指数均最高，P5采样点最低。（2）变形菌门、放线菌门、蓝藻门、芽孢杆菌门（Bacillota）和拟杆菌门（Bacteroidetes）为细菌群落的优势类群。各采样点变形菌门相对丰度均超过18%，占比最高。（3）PICRUSt功能预测显示，代谢、环境信息处理和遗传信息处理的功能潜力在各采样点均占较高比例。其中，P9采样点在环境信息处理方面预测潜力最强，而在遗传信息处理方面预测潜力相对较弱。Bray–Curtis聚类将12个采样点分为两组：P12、P10和P11聚为一组，其余9个采样点形成另一组。（4）冗余分析（RDA）表明，海拔（ALT）和土壤全氮（STN）通过气候因子与土壤理化因子的协同作用，共同塑造了根部内生细菌群落的α多样性以及门和属水平的丰度分布格局。综上所述，包括土壤和气候因子在内的生境异质性可能通过影响沙棘生长，塑造分化的根际微环境，从而驱动细菌群落的适应性分化；同时，沙棘根部细菌群落特征与土壤–气候因子之间存在一定相关性。未来研究将聚焦于沙棘内生细菌的分离鉴定，通过接种实验验证菌株促生效果，利用代谢组学分析沙棘药效成分变化，并评估这些菌株在其他高山植物中的潜在适用性。