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单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

日期: 2022-09-01
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单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能
文献解读

原名:Reduced chemodiversity suppresses rhizosphere microbiome functioning in the mono-cropped agroecosystems

译名:单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

期刊:Microbiome

IF:16.837

发表时间:2022.7

第一作者:Pengfa Li

摘要
单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

背景:植物根际沉积能够调节根际相互作用、过程、养分和能量流动以及植物-微生物的交流,因此在保持土壤和植物健康方面具有至关重要的作用。然而,地下碳分配和根际沉积物化学多样性的变化是否以及如何影响根际生态系统中微生物群的功能尚不清楚。

方法:为了填补这一研究空白,我们研究了花生(Arachishypogaea)连作期间根际碳分配及其化学多样性与微生物多样性和功能之间的关系。在用13CO2连续标记植物后,我们利用基于DNA稳定同位素探针(DNA-SIP)的代谢组学、扩增子和宏基因组测序方法,研究了根际沉积物的化学组成和多样性以及活性根际微生物群的组成和多样性。

结果:根际沉积物和相关活性微生物类群在不同生长阶段和单一种植持续时间之间具有显著差异。具体而言,持续单一种植后,根际碳分配、根际沉积物化学多样性、微生物多样性和植物有益类群的丰度

(如Gemmatimonas,Streptomyces, Ramlibacter,Lysobacter)以及功能基因途径(如群体感应和抗生素的生物合成)逐渐降低。根际沉积物与根际微生物多样性和功能之间存在显著且强烈的相关性,尽管它们受不同的生态过程调节。总体而言,花生连作期间沉根际沉积和化学多样性的减少倾向于抑制根际生态系统中的微生物多样性及其功能。

结论:我们的研究结果首次提供了单一作物种植系统中根际微生物组功能失调机制的基本证据。为从根际沉积物的化学组成和多样性的角度深入理解复杂的植物-微生物相互作用提供了新视角。

研究背景
单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

根际是植物根系和土壤之间的界面,该区域的众多微生物之间相互作用决定了生物地球化学循环、植物生长以及对生物和非生物胁迫的耐受性。植物通过根系向根际输入大量的光合固定碳(C),这些有机化合物统称为根际沉积物。根际沉积物在根际区域具有多重功能,然而由于根际过程的动态变化性,导致很难追踪根际生态过程并深入了解根际过程的生态系统功能。因此需要对植物根际沉积物及其化学组分、化学多样性和根际微生物进行进一步研究,以从机制上理解它们在根际生态系统中的生态生理功能。

根际沉积主要受土壤和植物因素的影响,如土壤性质、植物物种、生长状态、生长阶段和其他环境相互作用。在农业生态系统中,植物地下碳分配受到种植制度的影响,如单作和间作,并最终随着持续时间的增加影响土壤性质和植物生长。根据植物资源优化假说,在长期单一种植条件下,土壤养分含量的变化(如氮的积累)可能会抑制植物对地下碳的分配。此外,长期单一种植通常会抑制植物生长,也可能会对地下碳分配产生负面影响。考虑到农业实践对土壤性质和植物生长的影响,我们预计连续单一种植可能会影响地下碳分配以及根际沉积物的化学组成和化学多样性。

根际沉积物的数量和化学组成能够招募不同的根际微生物群落。如果连续单季种植会影响根际沉积物,我们推测根际沉积物的变化进而能够影响根际微生物群,尤其是依赖于根际沉积物营养和能量需求的活性微生物类群,包括其多样性、组成和群落组装机制(决定性-随机性过程)。然而,这一观点从未在以往的研究中进行过验证。因此,根际沉积物化学多样性的变化是否以及如何影响根际微生物的功能需要良好的复制和时间序列研究。同时,连续单季种植系统为阐明根际沉积物化学多样性在根际微生物群功能中的作用提供了理想的实验平台。

考虑到在连续单一种植条件下,根际沉积物的化学多样性预计会减少,根际微生物功能也会降低或受到抑制。因此,我们假设连续单一种植将减少根际沉积物的化学多样性,从而抑制偏好利用根际沉积物的微生物群落的生物多样性和功能。

我们通过在花生(Arachishypogaea)连续单一栽培系统中进行温室试验来验证我们的假设(图1)。具体而言,研究了花生连续单一栽培如何影响(i)地下碳分配以及根际沉积物的化学组成和多样性;(ii)偏好利用根际沉积物的微生物群落的生物多样性、组成和组装过程;以及(iii)根际活性微生物的功能潜力。


单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

1关键实验设置流程图。P1P5P10表示单一种植的年限。W6W10表示种植时间6周和10周。


主要结果
单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

1.植物生物量和光合碳分配格局

P1处理(连续单作1年)的植物生物量在任何生长阶段都高于P5和P10处理(连续单作5年和10年;图2A)。随着单作年限增加,植物生物量显著下降(图2A)。光合碳分配在不同生长阶段(W)和不同处理(P)之间具有显著差异。W6阶段,P1P5P10处理的植株分别将76%56%43%的光合碳分配到土壤中(图2B)。在W10阶段,P1、P5和P10处理的植株分别将10%、14%和15%的光合碳分配到土壤中(图2B)。植物生物量,尤其是地下生物量与地下碳分配呈显著正相关。


单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

2植物生物量(A)和光合碳分配格局(B


2.根际沉积物的组成和化学多样性

木质素、脂类、蛋白质和氨基糖的相对丰度在所有样品中占优势。W10中的脂质明显少于W6,而缩合芳烃则呈现相反的趋势(图3A)W6阶段,P1处理中的缩合芳香烃、单宁和碳水化合物显著较高,但P5和P10处理中的不饱和烃较高。

无论是在植物生长阶段还是在不同单一种植年限之间,根际沉积物的组成都存在显著差异(图3B)。

W10的化学多样性始终高于W6;在两个生长阶段,随着单季种植年限的增加,均呈显著下降趋势(图3C)。此外,我们发现根际沉积物的化学多样性与植物生物量之间显著正相关(图3D)。


单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

3根际沉积物的化学组成和多样性


3.活性细菌的组成和生物多样性

在属的水平上,Trinickia,Gaiella, Dyella, Conexibacter, Burkholderia, Chujaibacter,Noviherbaspirillum, Roseisolibacter, Rhodococcus, andKtedonobacter是偏好利用根际沉积物的前10个平均相对丰度最高的类别(图4A)。

无论是在生长阶段还是在单一种植年限之间,活性细菌组成都存在显著差异,且单一种植年限(F2.18=8.014,P<0.001)比生长阶段对活性细菌组成的影响更大(图4B)

在两个生长阶段,P1中活性细菌的α-多样性(包括香农-维纳指数和物种丰富度指数)始终高于P5,这表明更多的细菌种类参与了P1中根际沉积物的利用(图4C)。此外,在W6,活性细菌的物种丰富度与地下C分配显著正相关(r=0.798,P=0.018),但在W10,这种相关性较弱(r=1.305,P=1.463,图5)。

总共有83个属在P1和P5中显著差异富集(图4D)。其中,71个种在P1中显著富集,而12种在P5中显著富集(图4D)。许多植物有益微生物在P1中富集,如Gemmatimonas,Streptomyces, Ramlibacter,Lysobacter,而在P5中富集的微生物如Trinickia,则具有潜在的植物致病性,这表明植物有害微生物的富集是以牺牲有益微生物为代价的。


单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

5利用根际沉积物的活性细菌组成和生物多样性。


A)前20个活性细菌属的归一化相对丰度。(B)活性细菌群落的PCoA分析。(C)活性细菌的α多样性。(D)双尾Wilcoxon检验显示P1P5处理中存在丰富的差异细菌。P1P5分别代表花生连续单作1年和5年;W6W10分别代表播种后6周和10周采集的样本


单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

5活性细菌生物多样性与植物地下碳分配的关系


4.根际沉积物与活性细菌的联系

根际沉积物的化学多样性与活性细菌的生物多样性之间存在显著正相关(图6)。


单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

6活性细菌生物多样性与植物地下碳分配的关系


5.活性细菌的功能潜力

宏基因组功能分析共产生7806个KO功能类别。PCoA和PERMANOVA表明,P1和P5之间的总体微生物功能潜力存在显著差异。微生物功能潜力的主要决定因素是根沉积物组成,而不是土壤物理化学性质的变化。

进一步分析了KO功能类别的KEGG途径富集情况,结果表明,P1P5中分别发现了26条和18条显著富集KEGG通路(图7)。更多的KOP1中显著富集,表明随着单一种植时间的持续,活性细菌尤其是在连作期间参与代谢的类群的功能潜力降低(图6)。


单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

7P1P5处理中活性细菌KEGG途径的差异。使用双尾Wilcoxon检验对P1P5之间的路径差异进行量化,并显示校正的P值。P1P5分别代表花生连续单作1年和5年的样本


结论
单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

利用13CO2标记、代谢组学和宏基因组分析,我们证明了根际沉积物的化学多样性、活性根际微生物多样性和代谢功能途径的显著减少是根际生态系统中微生物组功能退化的关键指标。更重要的是,证明了根际碳沉积及其化学多样性的减少倾向于抑制微生物多样性及其功能。该发现为根际化学多样性在影响根际微生物生物多样性及其功能方面的作用提供了新的见解,这对于土壤生态系统功能至关重要。


论文idhttps://doi.org/10.1186/s40168-022-01287-y

单一作物种植系统中根际沉积物化学多样性降低抑制根际微生物功能

END

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