**基于倍性水平的西瓜根际微生物群落结构与功能差异研究**

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Variations in rhizosphere microbial community structure and function among diploid, triploid, and tetraploid watermelon cultivars

　　

**摘要**

**目的** 根际微生物组作为植物的“第二基因组”，在养分获取、抗逆性和土壤健康维持中发挥着至关重要的作用。多倍化是西瓜育种的关键策略：三倍体西瓜因其无籽性和高抗逆性而具有重要价值，而四倍体则是三倍体杂交的重要亲本材料。然而，倍性水平（二倍体、三倍体、四倍体）如何塑造微生态环境和微生物群落组装仍不清楚。本研究旨在探究西瓜倍性水平与根际微生物群落组成之间的关联。

**方法** 采用高通量测序技术（细菌采用Illumina MiSeq PE300，真菌采用PE250），分别靶向细菌16S rRNA基因和真菌ITS区域，对二倍体（HLL40-3）、三倍体（桂西5号）和四倍体（MT410n-1）西瓜的根际微生物群落进行分析。通过α多样性、β多样性、分类学组成和功能预测，比较各组间的差异。

**结果** 三倍体西瓜根际细菌的Shannon指数和丰富度指数（Ace和Chao1）均显著高于二倍体和四倍体。在真菌方面，仅三倍体的丰富度显著高于二倍体和四倍体；三倍体与二倍体之间的真菌Shannon指数无显著差异，但两者均显著高于四倍体。β多样性分析证实，不同倍性水平间的微生物群落呈现明显分离（p?
**结论** 三倍体西瓜通过选择性招募建立了更多样化的微生物群落，这可能有助于其优异的农艺性状。
**图形摘要**

**西瓜不同倍性水平根际微生物群落结构组成与功能变异研究**

**一、研究背景与科学问题**

西瓜（*Citrullus lanatus*，2n = 2x = 22）是一种全球广泛栽培、具有重要营养和经济价值的水果作物。然而，在中国这个全球最大的西瓜生产和消费国，土传病害（如枯萎病）和连作障碍问题日益严重，严重影响作物产量和果实品质。根际是植物根系与周围土壤环境之间的动态且功能关键的界面，栖息着极其多样的微生物群落。这些根际微生物在调节关键生物地球化学过程、抑制土传病原菌以及调节植物对非生物和生物胁迫的抗性方面发挥着关键作用。根际微生物群落的组装主要受根系分泌物（如有机酸、氨基酸、糖类和次生代谢物）的影响，而根系分泌物的组成又受环境因素和宿主遗传特征的共同调控。尽管已知植物基因型强烈影响根际微生物群落，但现有证据表明，驯化和倍性水平对小麦细菌微生物组的组装有微妙影响，且对微生物多样性和群落组成的影响各异。多倍化（全基因组复制，WGD）诱导植物发生显著的表型和生理变化，如巨型化、次生代谢改变和抗逆性增强，这些变化进一步改变根系构型和根系分泌物组成，从而重塑根际微生态环境和微生物组装。在西瓜育种中，多倍体品种（三倍体、四倍体）因其优良性状而被广泛栽培。三倍体西瓜因其无籽、高可溶性糖含量和增强的抗逆性而备受重视；四倍体西瓜则是三倍体杂交种子生产中不可或缺的母本，且具有优良的园艺品质。然而，现有关于西瓜根际微生物的研究多集中于二倍体品种，倍性水平与微生物群落组装之间的系统关系仍不清楚。为此，研究人员比较了二倍体（HLL40-3）、三倍体（桂西5号）和四倍体（MT410n-1）西瓜的根际细菌和真菌群落，旨在：（1）评估不同倍性水平下微生物多样性（α/β）的差异；（2）鉴定门水平和属水平上倍性特异性富集的微生物类群；（3）预测根际微生物群落的功能差异，揭示倍性、微生物群落与农艺性状之间的潜在联系。

**二、研究结论概述**

研究结果表明，三倍体西瓜根际细菌的Shannon指数和丰富度指数（Ace和Chao1）显著高于二倍体和四倍体；真菌仅丰富度在三倍体中显著更高。β多样性分析证实不同倍性间微生物群落显著分离。分类学上，二倍体富集变形菌门（Proteobacteria）、黑孢壳属（Melanconiella）和下帚霉属（Hypomyces）；三倍体富集拟杆菌门（Bacteroidota）、微Virga属（Microvirga）、被孢霉门（Mortierellomycota）、尾柄孢壳属（Cercophora）和新赤壳属（Neocosmospora）；四倍体富集Patescibacteria、盖拉氏菌属（Gaiella）、木霉属（Trichoderma）和丘孢酵母属（Papiliotrema）。功能预测显示三倍体支持最多样化的功能类群。总体而言，三倍体西瓜通过选择性招募建立了更多样化和功能灵活的根际微生物组，这可能有助于其优良的农艺性状。这一发现为理解倍性水平驱动的根际微生物组装机制提供了新视角，也为优化西瓜多倍体育种和可持续栽培提供了理论支持。

**三、主要关键技术方法**

本研究于广西大学农学院蔬菜实验基地进行，供试土壤为砖红壤（pH 5.71）。采用随机完全区组设计，每个品种3个重复，每个重复30株，以未种植土壤为对照（CK）。根际土壤样品于2023年11月采用抖根法采集。使用Fast DNA Spin Kit提取土壤总DNA，分别扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS区域，在Illumina MiSeq平台（细菌PE300，真菌PE250）上进行高通量测序，由上海美吉生物医药科技有限公司完成。测序数据按97%相似度聚类为操作分类单元（OTU），并利用Majorbio I-sanger云平台和OmicShare云平台进行α多样性（Shannon、Simpson、Ace、Chao1指数）、β多样性（主成分分析PCA、非度量多维尺度分析NMDS、置换多元方差分析PERMANOVA）、LEfSe差异物种分析和功能预测（PICRUSt2、Tax4Fun、FUNGuild）等生物信息学分析。

**四、研究结果**

**4.1 不同倍性西瓜根际土壤微生物α多样性**

测序覆盖率超过97.8%，数据可靠。α多样性分析表明，西瓜倍性对根际微生物群落有显著影响。在细菌方面，三倍体组（B：桂西5号，3n = 33）的Shannon指数和Chao1指数均最高，显著高于二倍体和四倍体组，表明三倍体西瓜根系可能释放某些代谢物富集了细菌多样性。在真菌方面，二倍体和三倍体西瓜的真菌Shannon指数均显著高于四倍体；在群落丰富度方面，三倍体组的ACE和Chao1指数均显著高于二倍体和四倍体组，其Chao1丰富度与未种植土壤（CK）相当。

**4.2 不同倍性西瓜根际土壤微生物β多样性**

基于OTU水平的主成分分析（PCA）显示，不同倍性西瓜根际细菌和真菌群落均呈现明显分离，累计方差贡献率分别为45.02%（细菌）和34.78%（真菌）。非度量多维尺度分析（NMDS）同样证实了二倍体（A）、三倍体（B）和四倍体（C）三组之间的清晰分离，表明倍性水平显著影响西瓜根际微生物组的组成（p = 0.001）。

**4.3 不同倍性西瓜根际土壤细菌群落组成**

维恩图显示，三倍体组（B）检出细菌门43个（含2个独有）和属911个（含76个独有），均高于二倍体组（41门、861属）和四倍体组（42门、862属）。在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）是所有样本中最丰富的门，但其相对丰度随倍性增加而降低。四倍体根际中酸杆菌门（Acidobacteriota）和Patescibacteria的相对丰度较高（后者显著高于其他组），三倍体根际中拟杆菌门（Bacteroidota）显著富集。在属水平上，Chujaibacter、芽孢杆菌属（Bacillus）和Castellaniella是主要优势属。二倍体组中Chujaibacter相对丰度显著较高；三倍体组中微Virga属（Microvirga）被特异性富集，酸热菌属（Acidothermus）等显著降低；四倍体根际中盖拉氏菌属（Gaiella）更为丰富。LEfSe分析（LDA > 3.0, p < 0.05）显示，二倍体、三倍体和四倍体分别有28、34和15个差异丰富的细菌类群。二倍体显著富集弗兰克氏菌目（o_Frankiales）、变形菌门（p_Proteobacteria）和芽单胞菌门（p_Gemmatimonadota）；三倍体富集多囊菌纲（k_Polyangia）、噬纤维菌目（o_Cytophagales）等；四倍体主要富集蓝藻门（p_Cyanobacteria）和Patescibacteria。

**4.4 不同倍性西瓜根际土壤细菌群落功能预测**

PICRUSt2功能预测显示，“代谢（Metabolism）”是所有样本中最丰富的KEGG一级功能类别。在COG功能分类中，氨基酸转运与代谢、翻译/核糖体结构与生物发生、能量产生与转化是最丰富的三类。三倍体根际微生物组在转录相关基因方面表现出预测富集。Tax4Fun分析进一步显示，在KEGG二级水平上，碳水化合物代谢、氨基酸代谢和膜转运等核心代谢过程的推定基因相对丰度较高；ABC转运蛋白、双组分系统和嘌呤代谢是三级水平上最丰富的推断功能，但这些通路在不同倍性间无显著差异。

**4.5 不同倍性西瓜根际土壤真菌群落组成**

三倍体组（B）检出真菌属322个（含59个独有），高于二倍体组（295属，44个独有）和四倍体组（284属，45个独有）。在门水平上，子囊菌门（Ascomycota）是优势门。在属水平上，青霉属（Penicillium）和木霉属（Trichoderma）丰度较高，其中木霉属（Trichoderma）在四倍体样本中相对丰度最高。三倍体样本中尾柄孢壳属（Cercophora）、新赤壳属（Neocosmospora）、假霉样真菌属（Pseudallescheria）等的相对丰度最高。LEfSe分析（LDA > 2.0, p < 0.05）显示，二倍体、三倍体和四倍体分别有12、39和8个差异丰富的真菌类群。三倍体显著富集被孢霉门（p_Mortierellomycota）、侧耳菌目（o_Pleurotheciales）、伞菌纲（c_Agaricomycetes）等；四倍体主要富集银耳目（o_Tremellales）和疣孢菌科（f_Pezizaceae）。

**4.6 不同倍性西瓜根际土壤真菌功能预测**

基于FUNGuild功能预测，二倍体西瓜富集植物腐生菌和木材腐生菌功能类群；三倍体西瓜富集了更广泛的功能类群，包括动物病原菌—内生菌—地衣寄生菌—植物病原菌—土壤腐生菌—未定义腐生菌；四倍体西瓜的未定义腐生菌数量最高。但仍有相当大比例的类群未被定义，反映了当前真菌功能预测数据库的固有局限性。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，不同倍性西瓜通过选择性招募形成了差异化的根际微生物群落。三倍体西瓜较高的微生物多样性可能与其更强的杂种优势（hybrid vigor）有关。倍性变化通过改变根系构型和根系分泌物组成，对根际微生物群落施加选择压力。功能性预测表明三倍体根际微生物组具有更广泛的生态功能，这不能仅归因于倍性效应，也反映了倍性间杂交种固有的强杂种优势。植物倍性变异在塑造适应性和抗逆性方面发挥关键作用，特定倍性水平表现出增强的招募促生菌（PGPR）的能力。

研究结论总结如下：本研究评估了不同倍性水平西瓜根际细菌和真菌群落的多样性、组成和功能特征，确定了倍性水平与根际微生物群落之间的相关性。三倍体西瓜细菌的Shannon指数和丰富度指数显著高于二倍体和四倍体；真菌仅丰富度在三倍体中显著更高。此外，不同倍性西瓜选择性招募特定微生物类群：二倍体富集Proteobacteria、Melanconiella和Hypomyces；三倍体富集Bacteroidota、Microvirga、Mortierellomycota和Cercophora；四倍体富集Patescibacteria、Gaiella和Trichoderma。功能预测揭示了倍性依赖的微生物功能特征：三倍体支持最多样化的功能类群，二倍体以植物和木材腐生菌为主，四倍体的未定义腐生菌相对丰度最高。总之，三倍体西瓜建立了更多样化和功能灵活的根际微生物组，这可能有助于其优良的农艺性状。这些研究结果为优化西瓜育种以实现可持续高效生产提供了实践视角。