ISME | 以色列农业研究中心揭示二氧化碳和氮水平对植物根表微生物群落和功能的影响

自工业革命以来，由于化石燃料燃烧，大气中的二氧化碳（CO₂）浓度一直在增加。随着工业化的快速发展，CO₂成为主要的温室气体，并且预计到21世纪末，将从目前的大气水平（aCO₂）400 ppm上升至800–1000ppm或更高。除其许多负面影响外，众所周知，升高的CO₂（eCO₂）可以改善重要农业植物的生长，并促进根系分泌物的产生，这可能导致土壤微生物量增加，进而导致土壤增加微生物氮需求（微生物和碳循环；微生物和氮循环）。其结果可能是土壤微生物和植物之间的根系竞争加剧了对可用氮的竞争，从而导致了植物对氮的逐步限制。实际上，在eCO₂下植物的氮浓度通常会降低，尤其是在C3植物中，例如小麦。对此现象的另一个可能解释是，eCO₂抑制了C3植物芽中硝酸盐-N同化为蛋白质。因此，随着大气中二氧化碳水平的预计增加，将需要增加氮的供应以维持小麦的生长并满足土壤微生物对氮的需求（PNAS | 南京农大和美国德州理工大学研究揭示菌根真菌介导的水稻氮素吸收！）。

近日，权威期刊ISME发表了以色列农业研究中心（Volcanic Center）Dror Minz课题组（Microbiome | 微生物可作为植物所处环境的生物传感器）的最新相关研究成果，题为Elevated CO₂ and nitrate levels increase wheat root-associated bacterial abundance and impact rhizosphere microbial community composition and function的研究论文，本研究基于从宿主植物（小麦）中提取的基因组，研究了CO₂升高和硝酸盐水平对根表面相关（即附着在根表面的细菌）细菌群落结构和功能的综合作用。

本研究集中于与根表面相关的细菌群落，即与根紧密互动的群落。假设它们将是第一个响应根系统更改的对象。二氧化碳浓度升高会刺激植物生长，并影响根系分泌物的数量和组成，进而影响其微生物组。本文比较了在升高CO₂（eCO₂，850 ppm）条件下三种维持未来小麦生长的可能的硝酸盐施肥方案：（1）限量（例如30 ppm硝酸盐），中等（例如70 ppm硝酸盐）和过量的硝酸盐（例如100 ppm硝酸盐），以阐明它们对根表面相关细菌的群落丰富度，结构和功能的综合影响。施加过量硝酸盐，在eCO₂条件下每株植物总细菌的相对丰度增加。二氧化碳浓度升高显着影响了编码酶，转运蛋白和分泌系统的基因的丰度。在所有硝酸盐水平下，eCO₂对小麦根系中最大的分类组群（〜75％）的细菌影响最大。根瘤菌，伯克霍尔德氏菌和假单胞菌是造成这些功能改变的主要原因。在五个基因组中，其丰度发生了显着变化（分泌系统，特别是VI型分泌系统，生物膜形成，丙酮酸，果糖和甘露糖代谢），它们之间存在相关性。这些细菌丰度和基因功能的变化可能是eCO₂处根系分泌物改变的结果，从而导致细菌定殖模式发生变化并影响其适应性和增殖。因此，通过观察与根表面相关的微生物组基因功能的变化，本研究试图揭示根在将来可能暴露的可能条件，这些信息可能使小麦生长适应未来的环境条件。

图1 受硝酸盐和CO₂影响的6周龄小麦的土壤和植物特性水平

图2 CO₂和硝酸盐水平对6周龄小麦根系中每种植物总细菌丰度的影响

图3 CO₂和硝酸盐水平对6周龄小麦根表面相关细菌群落结构的综合影响

图4 受硝酸盐和CO₂水平影响的6周龄小麦的根部微生物组功能（KEGG）的变化

图5 大量与根表面相关的细菌功能基团与其相关分类之间的相关性

图6 选定的根微生物组功能及其相关分类之间的相关性

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