巨菌草种植对干热河谷根际微生物群落结构与功能的响应：原核与真菌群落的差异性变化

《Agronomy》：Structural and Functional Responses of Rhizosphere Microbial Communities to Pennisetum giganteum Cultivation in a Dry-Hot Valley: Differential Shifts in Prokaryotic Versus Fungal Communities

　　

了解巨菌草（JUJUNCAO）的生态适应性及其对根际微生态的长期影响，对于脆弱生态系统的植被恢复至关重要。本研究在中国云南楚雄干热河谷地区，以种植前土壤（Y0）为对照，研究了种植1年（Y1）和3年（Y3）的巨菌草根际土壤理化性质及微生物群落结构与功能。种植三年后，土壤总碳（TC）、有机碳（SOC）、全氮（TN）、硝态氮（NO₃^?-N）、全磷（TP）和有效磷（AP）分别显著增加了84.18%、96.09%、61.32%、212.47%、24.71%和22.19%，而土壤pH保持稳定。真菌群落在种植一年后即表现出显著的多样性、丰富度下降及根本性的结构转变。相比之下，原核生物群落结构相对稳定。土壤碳、氮变量是与微生物群落组成关联最强的因素，长期种植同时富集了丛枝菌根真菌Septoglomus以及含有潜在植物病原菌的属如Fusarium和Nectria。Nectria的相对丰度与土壤碳、氮含量呈正相关（p < 0.05），表明有益共生与病害风险之间存在潜在的生态权衡。预测功能通路组成表明，微生物代谢从磷脂和核苷酸合成的基础通路向通过PWY-3781和乙醛酸支路的碳氮代谢转变，其中真菌群落更替更为显著。因此，巨菌草在干热河谷生态修复方面具有相当大的潜力；然而，由于潜在的硝态氮损失和含有潜在病原菌类群的积累，长期种植值得关注，真菌群落可作为土壤健康的敏感生物指示物。

**巨菌草种植对干热河谷根际微生物群落的影响：原核与真菌群落的差异性响应**

**1. 研究背景与意义**

干热河谷地区因其特殊的气候特征，水资源匮乏成为植被恢复的主要限制因素。巨菌草（*Pennisetum giganteum*，JUJUNCAO）作为一种多年生、高生物量禾本科植物，具有适应性广、抗逆性强、饲用价值高等特点，其发达的根系系统使其在退化土壤修复中展现出应用潜力。已有研究表明，巨菌草种植能够改善土壤理化性质，如降低容重、增加孔隙度和持水量、提升有机质和养分含量。然而，在云南楚雄双柏县干热河谷地区，巨菌草虽已被推广用于肉牛养殖并兼具生态效益，但关于其长期种植对土壤养分动态及根际微生物群落演替的影响，仍缺乏系统评估。根际微生物在增强植物非生物胁迫耐受性方面发挥着关键作用，尤其是在水分受限环境中，有益微生物可通过养分活化、植物激素产生、渗透调节及诱导胁迫耐受通路等机制帮助植物适应环境。因此，阐明巨菌草长期种植下根际微生物群落的响应规律，对于评估该土地利用方式的可持续性及脆弱生态系统恢复具有重要的理论与实践意义。该研究发表于《Agronomy》。

**2. 主要技术方法**

本研究于云南省楚雄州马龙河沿岸冲积地（24°53′40.01″ N, 101°15′33.66″ E，海拔760 m）开展田间试验。研究设置了种植前（Y0）、种植1年（Y1，2023年8月10日采样）和种植3年（Y3，2025年8月10日采样）三个时间处理，每个处理随机选取5丛生长均匀、无可见病害的巨菌草植株采集根际土壤。土壤理化性质测定包括：元素分析仪测定总碳（TC），凯氏定氮法测定全氮（TN），NaOH熔融-钼锑抗分光光度法测定全磷（TP），以及土壤pH、有效磷（AP）、有机碳（SOC）、有机质（OM）、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^?-N）、速效钾（AK）和含水量（MC）等指标。微生物分析采用MO BIO PowerSoil DNA分离试剂盒提取土壤总DNA，分别以515F/907R引物扩增原核生物16S rRNA基因V4–V5区和ITS5-1737F/ITS2-2043R引物扩增真菌ITS区，在Illumina MiSeq平台进行双端测序。生物信息学分析利用FLASH、Trimmomatic、UCHIME和USEARCH进行序列拼接、质控、嵌合体去除及运算分类单位（OTU）聚类（97%相似度）；原核和真菌OTU分别比对Greengenes2和UNITE数据库进行物种注释；利用MOTHUR和QIIME2计算α多样性（Chao1、Shannon、系统发育多样性）和β多样性（Bray–Curtis距离、NMDS）；采用线性判别分析效应大小（LEfSe）鉴定差异丰度类群；冗余分析（RDA）评估环境因子与群落结构的关系；通过PICRUSt2（版本2.5.0）结合MetaCyc通路数据库（v24.0）对原核生物（16S OTU拷贝数归一化）和真菌（ITS OTU经FunFunGen数据库，NSTI > 0.5的OTU排除）进行功能预测。

**3. 研究结果**

**3.1 巨菌草种植下的土壤养分动态**

种植三年后，土壤TC、SOC、SOM、TN、NO₃^?-N、TP和AP均显著增加（p < 0.05），增幅分别为84.18%、96.09%、96.27%、61.32%、212.47%、24.71%和22.19%。相比之下，AK和NH₄⁺-N分别显著下降61.18%和27.11%（p < 0.05）。土壤pH在各处理间保持相对稳定。

**3.2 根际微生物多样性与群落组成**

从15个土壤样本中共获得20,064个原核OTU（隶属57门、126纲、349目、537科、970属、884种）和4,446个真菌OTU（23门、59纲、123目、255科、473属、627种）。所有年份共有的核心OTU占原核总数的8.9%，占真菌总数的4.4%。α多样性分析显示，种植三年后原核生物Shannon多样性显著下降，但Chao1和系统发育多样性无显著变化；而真菌群落的Chao1、Shannon和PD指数均显著低于未种植土壤，表明真菌群落对巨菌草种植更为敏感。β多样性分析（ANOSIM）表明，原核生物Bray–Curtis距离随种植年限逐步增加，Y3与Y0和Y1显著分离；真菌群落在Y0与种植组（Y1、Y3）之间出现明显的结构不连续，且Y1和Y3与Y0的中位距离远高于原核生物，说明真菌群落响应更快、变化更剧烈。

**3.3 分类学转变与生物标志类群**

在门水平上，Proteobacteria、Actinobacteriota和Acidobacteriota是优势原核类群，Ascomycota和Basidiomycota主导真菌群落。LEfSe分析显示，未种植土壤富集了Acidimicrobiia和Thermoleophilia等放线菌谱系；种植三年后，原核生物标志类群转向氨氧化古菌（包括Nitrososphaerales和Nitrososphaeraceae），表明长期种植与硝化古菌的富集相关。真菌方面，未种植土壤的生物标志类群主要为子囊菌门相关属Humicola、Aspergillus和Absidia；种植三年后，土壤中出现丛枝菌根真菌Septoglomus以及含有潜在植物病原菌的属Fusarium和Nectria（LDA > 3.0, p < 0.05）。

**3.4 微生物群落结构的环境驱动因素**

冗余分析（RDA）表明，原核生物群落前两轴解释了总变异的42.88%（RDA1 = 27.13%，RDA2 = 15.75%），不同种植年份样本明显分离，SOC、TC和TN与Y3样本关联最强。真菌群落前两轴解释了52.02%的变异（RDA1 = 32.98%，RDA2 = 19.04%），分离模式更为显著，NO₃^?-N、TN、TC和SOC与Y3密切相关，而NH₄⁺-N与Y3样本呈负相关。属水平相关性热图显示，原核类群如Nitrosocosmicus和TA_21与SOC、TC、TN呈正相关，与AP和MC呈负相关；真菌属包括腐生菌、含有潜在病原菌的类群（Nectria、Magnaporthiopsis）以及菌根真菌Septoglomus均与TC、SOC、TN和NO₃^?-N呈强正相关，表明碳氮浓度升高与有益和潜在有害真菌类群的共存相关。

**3.5 微生物群落功能预测**

基于MetaCyc通路的功能预测揭示了原核生物与真菌之间的不同演替轨迹。未种植土壤中原核生物群落以参与磷脂和核苷酸合成的基础代谢通路PWY-3001为主；种植一年后富含PWY-3781和氨基酸生物合成通路；种植三年后碳氮代谢通路更为突出。真菌群落的转变更为剧烈：Y0以PWY-7118和氨基酸代谢为主，Y1呈现PWY-3781和乙醛酸支路通路的最高丰度，Y3的特征是初始通路几乎完全被碳代谢途径替代。总体而言，PWY-3781在两个群落中均为种植一年后的核心富集通路，但真菌表现出了更彻底的通路组成重构。

**4. 讨论与结论**

**4.1 讨论总结**

研究表明，干热河谷地区巨菌草种植三年后土壤碳、氮、磷库显著增加，其中SOC和NO₃^?-N分别较种植前提高96.09%和212.47%，且pH保持稳定，其养分积累幅度大于许多其他多年生禾草，表明巨菌草即使在极端环境条件下也具有较强的“肥岛”效应。TC与SOC的同步增加表明碳积累主要源于植物源性有机输入；NO₃^?-N的显著增加与NH₄⁺-N的下降表明干热河谷温暖干旱条件下硝化作用增强驱动了氮素转化。RDA分析显示土壤理化因子对真菌群落变异的解释度（52.02%）高于原核生物（42.88%），且碳氮变量与Y3样本关联最强，表明真菌群落组成与土壤碳氮属性的联系比原核生物更紧密。属水平相关分析揭示了原核生物中特定的硝化古菌与碳氮富集的协同变化，而真菌则呈现多个功能类群（腐生菌、潜在病原菌和菌根真菌）与碳氮含量的同步正相关，提示土壤肥力提升伴随生态权衡。长期种植同时富集了丛枝菌根真菌Septoglomus和含有潜在植物病原菌的属（Fusarium、Nectria、Magnaporthiopsis），且Nectria和Magnaporthiopsis的相对丰度与土壤碳（TC、SOC）和氮（TN、NO₃^?-N）含量呈强正相关，推测高碳可利用性为兼性病原菌的增殖提供了能量来源。功能预测揭示了从“生存导向”的基础代谢到“生长导向”的生物合成，再到“分解导向”的碳代谢的三阶段演替模式，原核生物功能组成呈渐进式变化而真菌预测通路被完全重构，反映了两类微生物不同的生活史策略。

**4.2 研究结论**

经过在中国云南楚雄干热河谷连续三年的巨菌草种植，与种植前土壤相比，土壤碳、氮、磷库显著积累，而土壤pH保持相对稳定。土壤碳和氮变量是与微生物群落组成关联最强的因素，对真菌群落变异的解释比例高于原核生物群落。丛枝菌根真菌Septoglomus和含有潜在植物病原菌的属（Fusarium、Nectria）的同时富集与土壤养分升高呈正相关，表明高养分条件下共生效益与病害压力之间存在潜在的生态权衡。预测功能通路组成从基础代谢向碳氮代谢转变，真菌的变化比原核生物更为显著。重要的是，所有观察到的模式均为相关性结果，且源自单一地块的时间序列设计，因此因果关系和生态风险需要通过重复田间试验进一步验证。未来研究应通过控制接种试验和多组学方法，调查潜在病原菌属增殖的关键阈值和调控因素，以及其与有益共生菌共存的内在机制。