根际微生物组组装与功能富集驱动小麦耐盐性

《Journal of Environmental Management》:Rhizosphere microbiome assembly and functional enrichment drive salt tolerance in wheat

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月06日 来源:Journal of Environmental Management 9.2

编辑推荐:

   摘要土壤盐渍化是制约小麦生产的主要因素,因为幼苗期的胁迫会严重限制早期生长和潜在产量。然而,根际微生物组介导品种间耐盐差异的机制仍知之甚少。本研究比较了在盐碱土中生长的耐盐小麦品种(济麦60,JM60)和感盐品种(国麦301,GM301)。通过整合土壤理化性质和酶活性分析以及

  

摘要

土壤盐渍化是制约小麦生产的主要因素,因为幼苗期的胁迫会严重限制早期生长和潜在产量。然而,根际微生物组介导品种间耐盐差异的机制仍知之甚少。本研究比较了在盐碱土中生长的耐盐小麦品种(济麦60,JM60)和感盐品种(国麦301,GM301)。通过整合土壤理化性质和酶活性分析以及16S rRNA基因和鸟枪法宏基因组测序,我们研究了幼苗期根际微生物组的组装模式、网络结构和功能潜力。JM60组装了独特的根际微生物组,以拟杆菌门(Bacteroidota)富集为特征,其中鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)作为关键类群在一个更稳定的共现网络中发挥作用。相比之下,GM301以Zobellella属为主导,并表现出增强的微生物负相互作用,表明其网络结构虽呈协同性但更为简化。宏基因组分析显示,与JM60相关的微生物组中富集了与氧化胁迫抗性(katE)、中心碳代谢(pdhD)和氮素利用(hutF)相关的基因,提示了氧化还原稳态增强、营养循环和离子平衡调节能力的提高。这些功能特征与JM60中更高的叶片抗氧化酶活性和改变的根际养分剖面相一致。我们的研究结果表明,小麦耐盐性与具有富集功能的根际微生物组组装密切相关,突出了微生物组驱动机制在提高盐碱土中作物韧性方面的潜力。

引言

土壤盐渍化是全球农业可持续发展和粮食安全面临的普遍非生物约束,影响范围超过10亿公顷且仍在持续扩大(Tarolli et al., 2024; Yang et al., 2022; Zhao et al., 2023)。在中国,约9.9×107公顷土地受盐害影响,严重盐渍化主要集中于新疆等干旱和半干旱地区,低降水量、高蒸发量和浅层地下水共同驱动了表层土壤的盐分积累(Liu et al., 2023; Ma et al., 2024; Zhang et al., 2025; Zhao et al., 2025)。这些耦合的水文气候和水文过程维持了土壤的慢性盐渍化,对作物生产力构成持续约束。小麦作为全球主要粮食作物,在幼苗期尤为脆弱,此时盐害会限制根系发育、养分获取和生物量积累,最终降低产量潜力(Ehtaiwesh et al., 2024; Fu et al., 2023; Seleiman et al., 2021; Wang et al., 2024)。尽管已有大量关于盐害影响的研究,但提高小麦早期耐盐性的策略对于盐碱地的高效利用仍具有重要意义。
植物耐盐性研究传统上侧重于内源性生理和分子机制,包括离子稳态、渗透调节和抗氧化防御系统(C. Liu et al., 2022; Munns and Gilliham, 2015; Patwa et al., 2025)。然而,植物作为全微生物体运作,越来越多的证据表明,根际微生物组通过介导营养循环、植物激素信号传导和胁迫缓解,在植物胁迫适应中发挥着不可或缺的作用(Feng et al., 2026; Mu'azu et al., 2024; Shi et al., 2023)。这一新兴视角将耐盐性重新定义为植物-微生物动态互作的结果,而非仅由宿主遗传特性决定。然而,微生物组介导耐盐性的生态学原理和功能机制,特别是在盐碱条件下的机制,仍有待深入阐明。
一个尚未解决的核心问题是宿主基因型如何在盐胁迫条件下塑造根际微生物组的组装和功能组织。尽管植物能够选择性地招募有益微生物(Dilla-Ermita et al., 2021; Rodríguez et al., 2025),但当前的理解仍主要停留在描述性层面,侧重于组成变化而未揭示潜在的生态互作、网络稳定性和功能协同(Faucon, 2020; Rodríguez et al., 2025; Trivedi et al., 2020)。尚不清楚耐盐基因型是否组装出具有更大结构复杂性和更丰富胁迫适应功能的微生物组,以及这些涌现属性如何转化为植株表型的改善。填补这一空白对于从描述性微生物组分析迈向面向作物适应盐害系统的预测性和机制性框架至关重要。
本研究通过整合盐碱胁迫下的根际生态学与宿主基因型来应对上述空白。我们利用来自新疆阿拉尔盐土中生长的耐盐小麦品种(济麦60,JM60)和感盐品种(国麦301,GM301),结合土壤理化特征表征、植物生理测定、16S rRNA基因测序和宏基因组分析,解析微生物群落结构与功能。为排除田间混杂因素并分离基因型驱动的微生物组组装效应,采用了受控盆栽实验。我们检验了宿主基因型是否驱动不同的微生物组组装模式,确定了微生物分化的关键环境驱动因素,并揭示了与耐盐性相关的核心类群和功能特征。我们的研究结果建立了基因型驱动的微生物组组装与功能协同之间的机制联系,为基于微生物组的策略以提高盐碱农业生态系统中作物早期抗性奠定了基础。

各章节要点

实验设置

盐碱土于2025年4月采集自中国新疆阿拉尔市一处技术验证站点的未耕荒地(北纬40.58°,东经81.75°),该地块无先前的作物种植记录。阿拉尔是南疆典型的盐碱地区,土壤盐渍化分布广泛。该站点的土壤表现出强烈的盐碱胁迫特征,是研究基因型依赖的根际微生物组响应的适当基质

植株生长与生理特性

在盐碱土条件下,耐盐品种JM60与感盐品种GM301在生长表现和生理性状上表现出显著差异(图1)。与GM301相比,JM60表现出显著增强的地上部生长(图1b)。JM60的地上部鲜重均值(0.30 ± 0.14 g)约为GM301(0.15 ± 0.07 g,P < 0.01)的两倍。与此一致,JM60的株高(23.42 ± 4.56 cm)也高于GM301

幼苗期品种特异性根际微生物组组装

土壤盐渍化对小麦表现构成强烈约束,特别是在幼苗期,此时根系建立和根际互作对后续植株发育具有决定性影响(Ehtaiwesh et al., 2024; Seleiman et al., 2021)。聚焦于这一敏感时期,我们的结果揭示了耐盐品种JM60与感盐品种GM301之间明显的基因型依赖的根际微生物组装差异。JM60招募了

结论

本研究证明,小麦耐盐性与幼苗期品种特异性根际微生物组组装密切相关。在多个组织层次上,耐盐品种JM60与感盐品种相比表现出独特的微生物构型,涵盖群落组成、互作网络和功能潜力。具体而言,JM60根际富集拟杆菌门(Bacteroidota),形成了更稳定且更具结构化的

CRediT作者贡献声明

康延伟:写作 – 原稿撰写,可视化,概念构思。付雨浩:写作 – 审阅与编辑,指导,概念构思。杨文亮:写作 – 审阅与编辑,指导。Jean Damascene Harindintwali:写作 – 审阅与编辑,指导。刘强:写作 – 审阅与编辑,调查研究。姜夏叶:写作 – 审阅与编辑,调查研究。王晨:写作 – 审阅与编辑,指导。胡坚:写作 – 审阅与编辑,指导。陈林:

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到中国科学院重大项目、中国国家自然科学基金委员会(国家自然科学基金(42477131,42307048)、土壤与农业可持续发展国家重点实验室(SKLSSA2508)、江苏省碳达峰碳中和科技创新项目(BT2025015)和中国江苏省自然科学基金(BK20231099)的资助。
康延伟|付雨浩|杨文亮|Jean Damascene Harindintwali|刘强|姜夏叶|王晨|胡坚|陈林|王超|田大|叶茂|姜欣
土壤与农业可持续发展国家重点实验室,中国科学院土壤研究所,南京,211135,中国
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号