文丨大白有话讲

引言

根系是植物-环境-微生物相互作用研究的热点，对植物的生长、健康和适应有着直接的影响。

研究表明，生长在相同土壤的不同种植物物种根际微生物群落的组成、多样性与结构具有显著的差异性。

同样，湿地植物种类会对根系微生物群落结构产生影响，不同的湿地植物根系分泌物组成及根系泌氧能力不同，导致根系微生物群落的多样性产生差异。

因此，我们选取湿地中的香蒲、水葱两种挺水植物根系微生物作为研究对象，对其根际与根内微生物群落的特征进行分析。

旨在了解不同植物根系微生物群落结构与功能是否有特异性，为湿地植物的应用提供数据支持。

香蒲和水葱根际土壤理化特征

两种不同挺水植物香蒲和水葱的根际土壤理化性质和酶活性参数可见下表。

由下表可知，总碳、总氮、pH、氨态氮和硝态氮在两种植物根际土壤中都存在显著差异()，而且蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性在两种植物根际也显示出显著差异()。

其中，水葱根际土壤的的蔗糖酶活性(159.194±2.574U/g)显著高于香(152.326±1.452U/g)。

香蒲根际土壤的脲酶活性和碱性磷酸酶活性高于水葱根际土壤，分别为69.565±0.459U/g和12.709±0.145U/g。

结果表明，湿地不同植物的根际土壤理化性质和酶活性特征存在差异。

香蒲和水葱根系细菌群落多样性特征

通过对高通量测序序列进行质量筛选及最小样本数量抽平，在36个样本中共产生450684条有效细菌序列用于分析。

样本的序列条数分布在30131-74130之间(平均每个样品52035条)，按照97%相似性将其聚类为4774个OTU。

在两种挺水植物根际，香蒲根际土壤细菌群落的Shannon指数和Chao指数分别为5.77±=0.588和2489.80±884.09。

水葱根际细菌群落的Shannon指数和Chao指数分别为5.173±1.452和2511.50±660.08，均无显著性差异(，由下图可见)。

在两种植物根内，香蒲根内真菌群落的Shannon指数为4.509±1.034，水葱根内真菌群落的Shannon指数为3.852±0.640，无显著性差异()。

而水葱根内细菌群落的Chao指数(1361.90±347.00)显著高于香蒲(834.39±159.71)(，由下图可见）。

Stress值可以检验NMDS分析结果的优劣，根际(Stress=0.114)和根内(Stress=0.149)的值均0.2代表分析结果有很好的解释意义。

基于Bray-Curtis距离对OTU水平下两种挺水植物根际与根内的细菌群落进行非度量多维尺度(NMDS)分析(由下图所见)。

结果显示在两种植物根际，细菌群落结构有显著差异(Adonis：R2=0.214，)。

结果表明湿地植物种类对根系(根际、根内)细菌群落结构具有显著影响。

以上基于Bray-Curtis距离对OTU水平下两种挺水植物根际与根内的细菌群落进行非度量多维尺度(NMDS)分析。

结果显示在两种植物根际，细菌群落结构有显著差异(Adonis：R2=0.214，)，在两种植物根内，细菌群落结构也显示出显著的差异(Adonis：R2=0.175，)。

结果表明湿地植物种类对根系(根际、根内)细菌群落结构具有显著影响。

香蒲和水葱根系细菌群落组成的比较

通过对两种植物根际细菌群落纲水平组成的分析发现，根际细菌群落有22个优势纲(样本中相对丰度1%)，相对丰度从高到低由上图左侧所见。

优势细菌纲的相对丰度在两种植物根际之间存在的差异由上图右侧所见。

两种植物根际细菌群落有16个优势科(样本中相对丰度2%)由下图左侧所见，科水平细菌的群落的优势类群也存在差异，由下图右侧所见。

通过对两种植物根内细菌群落纲水平组成的分析发现，根内细菌群落有10个优势纲(样本中相对丰度1%)，相对丰度从高到低由下图左侧所示。

优势细菌纲的相对丰度在两种植物根内存在差异，由下图右侧所示。

两种植物根内细菌群落有12个优势科(样本中相对丰度2%，)由下图左侧所示，科水平细菌的群落的优势类群也存在差异，由下图右侧所示。

环境因子对香蒲和水葱根系细菌群落结构的影响

通过CCA/RDA冗余分析影响细菌群落结构的主要环境因子，结果表明根际土壤的理化性质、酶活性以及细菌群落之间存在显著相关性。

且影响两种植物根际和根内细菌群落变化的主要驱动力存在差异(如下图所见)。

通过对根际优势细菌纲与根际土壤性质的相关性分析(如下图左侧所见)，结果表明细菌群落中的γ变形菌纲、放线菌纲、α变形菌纲、嗜热油菌纲和芽单胞菌纲与硝态氮含量显著相关。

根内优势细菌纲与根际土壤性质的相关性分析结果表明(如上图右侧所见)，细菌群落中未分类的杆菌纲、Spirochaetia、未命名的变形菌纲和Fibrobacteria与硝态氮含量显著相关。

进一步对根际优势细菌科与根际土壤性质的相关性分析，如下图所见。

根内优势细菌科与根际土壤性质的相关性结果显示，红环菌科、伯克氏菌科、嗜甲基菌科和梭菌科与硝态氮含量、铵态氮含量、总氮含量和脲酶活性均显著相关。

表明植物根内这些科可能与植物的氮代谢有关。红环菌科、伯克氏菌科、渺小杆菌科、嗜甲基菌科、Prolixibacteraceae和梭菌科与碱性磷酸酶活性显著相关，也表明这些科可能参与了植物根内磷代谢过程。

香蒲和水葱根系细菌群落的共现性网络分析

基于OTU水平构建了两种挺水植物根际和根内细菌共现性网络以探究细菌群落分类单元之间的相互关系及生态意义(由下图所见)。

网络的拓扑性质可以反映微生物群落分类单元之间的连通性及相互作用的程度。

结果发现，香蒲和水葱根际土壤细菌网络的总节点分别为341和275，总边数分别为5124和6848，平均度分别为30.053和49.789。

香蒲和水葱根内细菌网络的总节点为149和135，总边数为688和535，平均度分别为9.235和7.926(如下表所见)。

根际土壤细菌网络的总节点数、总边数和平均度总体都大于根内部，在根际土壤中，香蒲的总节点数大于水葱。

但是水葱的总边数和平均度大于香蒲，说明水葱的根际细菌网络联系更加紧密，网络更加复杂在根内。

香蒲的总节点数、总边数以及平均度均大于水葱，说明香蒲的根内细菌网络联系较水葱更加紧密和复杂。

值得注意的是，在根际细菌网络中，香蒲的模块性远高于水葱，模块化可以反映网络中的聚集性。

共现网络中可由多个模块组成，每个模块代表一个微生物类群的“小世界”，说明香蒲根际细菌网络的功能多样性更高。

同时，4个细菌网络的正相关边数都在85%以上，表明不仅是根际土壤还是根内的细菌物种之间均以共存作用占主导地位。

香蒲和水葱根系真菌群落多样性的比较

通过对高通量测序序列进行质量筛选及最小样本数量抽平，在36个样本中共产生1801980条有效真菌序列用于分析。

样本的序列条数分布在50077-74828之间(平均每个样品67389条)，按照97%相似性将其聚类为3421个OTU。

在两种挺水植物根际，香蒲根际土壤真菌群落的Shannon指数为3.677±1.238，水葱根际真菌群落的Shannon指数为4.236±0.764，无显著性差异(，如下图所示)。

但是水葱Chao指数(1055.6±192.8)显著高于香蒲(483.41±359.24)(，如下图左侧所示)。

在两种植物根内，香蒲根内真菌群落的Shannon指数为2.947±0.494，水葱根内真菌群落的Shannon指数为2.492±1.063。

无显著性差异(，如下图右侧所示)同根际一样，水葱根内真菌群落的Chao指数(60.139±14.408)显著高于香蒲(57.898±0.010)()。

基于Bray-Curtis距离对OTU水平下两种挺水植物根际与根内的细菌群落进行非度量多维尺度(NMDS)分析(如下图所示）。

根际(Stress=0.056)和根内(Stress=0.181)的Stress值均0.2代表NMDS分析结果有很好的解释意义。

结果显示在两种植物根际，真菌群落结构有显著差异(Adonis：R2=0.1557，)。

在两种植物根内，真菌群落结构也显示出显著的差异(Adonis：R2=0.1142，)。

结果表明湿地植物种类对根系(根际、根内)真菌群落结构也具有显著影响。

香蒲和水葱根系真菌群落的功能预测

为了深入了解不同植物根系微生物群落的功能，基于KEGG数据库，通过PICRUSt2功能预测工具，根据KEGG数据库的信息，可以获得Enzyme功能信息。

然后基于Bray-Curtis距离对两种挺水植物根际与根内的细菌群落的功能注释进行非度量多维尺度(NMDS)分析。

结果发现，在两种植物根际，基于KEGG数据库的的Enzyme功能没有显示出显著差异(Adonis：)(如上图所见)。

在两种植物根内，基于KEGG数据库Enzyme功能有显著差异(Adonis：)(如上图所见)。

结果表明湿地植物种类对根际土壤真菌群落功能没有显著影响，但是对根内真菌群落功能有显著影响。

利用FUNGuild数据库进行OTU生态功能注释对两种植物根际和根内的真菌群落功能类型进行预测。

综上所述，湿地植物通过根部吸收水分和养分，同时也通过根系分泌物改变根际环境。

本文主要研究表明不同植物的根系分泌物有所差异，因此不同植物根际微生物群落的丰富度和多样性也存在差别。

香蒲与水葱根际的理化性质(TC、TN、pH、NH4+-N和NO3--N)和酶活性(蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶)有显著差异，这很可能是由于两种植物的根系分泌物不同造成。

由此可见，挺水植物根际和根内微生物群落受到环境因子和植物本身的影响，物种间微生物群落结构特征和复杂性存在一定的差异。

影响细菌和真菌群落的因子有所不同，各自表现的差异性也不相同。根系微生物群落的功能特征也在物种间显示出一定的差异。

笔者观点

笔者认为挺水植物香蒲和水葱这两种不同的根系微生物，在同等生存环境下具有不同理化性质的土壤中的根系微生物群落存在显著差异。

而研究植物的物种、自身的生长发育等影响因素，对植物根系微生物之间的相互作用与功能的探索有着非常大的意义。

目前这些研究目前都集中在陆生植物，而挺水植物受到土壤与水体的双重影响，根系微生物群落构建的驱动过程的研究还很缺乏，希望在将来的实验和研究中进一步优化。

参考文献

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