根际效应改变荒漠区土壤微生物群落及C和N转运

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原名：Rhizosphere effect alters the soil microbiome composition and C, N transformation in an arid ecosystem

译名：根际效应改变荒漠区土壤微生物群落及C和N转运

期刊：Applied Soil Ecology

在线发表时间：2021.11.06

第一作者：李文静

通讯作者：吕光辉 [e-mail]

第一单位：新疆大学资源与环境科学学院

文章亮点

• 微生物采用水分限制、干旱耐受和惰性型三种策略来应对水分梯度变化；

• 硝酸盐还原基因的丰度随水分利用率的增加而降低；

• 反硝化基因丰度随水分有效度的增加而增加；

• 水分有效性和根际效应可以很好地解释微生物群落和C、N功能的变化。

文章摘要

植物通过影响根际微环境的营养条件对根际微生物产生正向选择效应，从而改变土壤微生物结构和生态功能。在干旱地区，水是影响微生物活性和养分转化的主要限制因素。然而，土壤水分有效性对荒漠微生物碳氮功能代谢的生态策略和影响仍不清楚。在之前研究的基础上，我们推测土壤水分有效性和根际效应改变了干旱区土壤碳氮利用的策略。为了验证这一假设，我们在中国西北干旱地区沿土壤水分有效性梯度采集三种典型荒漠植物琵琶柴、白刺、骆驼刺的根际与非根际土壤样品，并使用宏基因组测序技术进行分析。结果表明，随着土壤含水量的增加，Gemmatimonas和Gemmatirosa的相对丰度增加，而Microvirga与Nocardioides的相对丰度则呈现相反下降趋势，Azospirillum及Bradyrhizobium的相对丰度不随土壤含水量的变化而变化，由此可知微生物群落在应对土壤水分变化时，分别采用水分限制型，耐旱型及惰性型3种不同策略来适应不同水平的土壤水资源。编码核酮糖1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)的基因在低水分条件下比在中高水分条件下更丰富(P < 0.05)。随着土壤水分有效性的增加，硝酸盐还原基因的丰度显著降低，而反硝化基因的丰度则呈现相反的趋势。根际土壤中异化硝酸盐还原过程的相对丰度(44.83%)显著高于土壤中异化硝酸盐还原过程的相对丰度(39.21%)。因此，为了应对水资源的减少和干燥的环境，土壤微生物通过增加铵态氮的利用策略来充分利用氮资源，以克服水分有效性降低和干燥环境，从而确保氮的供应，且根际微生物为植物根系提供了富氮的营养环境。因此，土壤微生物群落结构及C，N循环相关的代谢途径受到水分有效性和根际微环境的影响。我们的研究结果为干旱荒漠生态系统土壤群落及其功能的驱动因素提供了新的认识。

01研究背景

水分是荒漠生态系统中生物代谢所需的基本物质，是制约因素。水循环关键组分的变化可以改变土壤含水量，从而显著影响植物和土壤微生物群落。然而，有关水分梯度对土壤微生物群落及生活策略的研究较少。根际是土壤-植物-微生物及其所在环境作用的界面，是养分转换、物质循环及能量交换的关键微域，它决定着陆地生态系统中碳、养分、水的动力学和循环过程。

在干旱和半干旱地区，荒漠植物在不同土壤水分梯度及不同根际类型下的微生物群落结构和C、N代谢的变化还有待理解。因此，本研究为分析微生物适应环境变化的策略提供了见解。我们假设：干旱地区土壤水分有效性和根际效应改变了土壤碳氮功能和土壤微生物利用策略。在新疆精河县艾比湖荒漠区进行实验验证。该区域是准噶尔盆地西南缘的最低洼地和水盐汇集中心。研究区植物大多耐旱耐盐。本研究选择该地区3种优势植物:琵琶柴、白刺和骆驼刺进行研究。我们研究了(i)土壤微生物群落结构与C、N相关的土壤功能对水资源获取的权衡关系，以及(ii)不同根际类型下微生物对土壤C、N功能的响应。

02研究方案

研究区主要位于精河县艾比湖湿地国家自然保护区，2019年6月土壤样品采自东大桥管护站附近垂直阿奇克苏河北面河岸林设置的一条5 km样带。按自然水盐梯度，垂直阿其克苏河选择三个样方，近河岸样地为A样方，远河岸样地为C样方，中间样地为B样方。每个样地选择生长状况相近的健康琵琶柴、白刺、骆驼刺植株（具有相近遗传背景）。采样选择无降水条件，晴朗少云天气。

根际土：将植株根系挖出，抖去根部附着比较疏松的土壤，将根系装入无菌袋内低温保存，立即带回实验室用PBS溶液将根上土洗下，作为根际土。

Fig. 1. Schematic diagram of the study area location and built plots. The remote sensing image shows the study area in the Ebinur National Nature Reserve, sampling locations, and the landscape of plant populations in plots High water, Middle water, and Low water.

A,高水样地；B，中水样地；C，低水样地。

03研究结果

3.1 土壤理化性质在不同水分梯度和根际类型的变化

Fig. 2. Soil physicochemical properties at the three different locations along the water gradient directed transect and in the rhizosphere and bulk soils. Lowercases denote the differences among soil samples with three different zone of water gradients: a, b, and c. * represents the difference between rhizosphere and bulk soils, P < 0.05, according to two-sided t-tests. Environmental factors, including pH, EC (Electrical conductivity), SOC (Soil organic carbon), TN (Total nitrogen), NH₄⁺(Ammonium nitrogen), AN (Available nitrogen), NO₃⁻(Nitrate nitrogen) and C/N.

本研究中A样地位于河岸的最近点，大体而言表现为盐分含量高，土壤的有机碳含量较高，营养含量高，植物生长茂盛，C样地离河岸距离最远，土壤含水量较低，养分匮乏，植物生长稀疏。土壤理化性质表现出明显的高、中、低水分梯度，且存在显著根际正效应：根际土中营养元素普遍高于非根际土。

Fig. 3. PCoA analysis of the microbiome composition in the rhizosphere and bulk soils at three different locations along the water gradient directed transect. a: genus level; b: KEGG pathway-level; c: C pathway-level; d: N pathway-level.

水分有效性和根际效应改变了土壤微生物群落和C/N代谢。

3.2 微生物群落结构

在属水平上，根据土壤微生物群落对水分有效性变化的响应模式，将土壤微生物群落分为限水群落、耐旱群落和惰性群落三类。

Fig. 4. The comparison between genera with significant differences between rhizosphere and bulk soils. STAMP was used to visualize the data (Error bars represent Welch's T-interval).

根际土存在明显根际效应，与非根际土在微生物属水平差异显著。

3.3  微生物参与的碳氮循环过程

Fig. 5. The main nitrogen metabolism pathways along a water gradient (a) at different levels of water gradient (b) and in different soil compartments (rhizosphere and bulk soils) (c) in different plant species.

硝酸盐还原过程，随水分梯度的降低显著增加。而反硝化过程则随水分的降低而降低，硝酸盐还原代谢途径在氮循环的丰度根际土（72.46%）＞非根际（64.40%）；反硝化与硝化作用均表现出根际土＜非根际的趋势。

Fig. 6. (a) The comparison between functional genes involved in different nitrogen cycling among in the three different locations along the water gradient directed transect. (b) The comparison between functional genes involved in different nitrogen cycling between rhizosphere and bulk soils.

1. 反硝化过程还原酶的功能基因：nir K/nor BC/nosZ；编码硝酸盐还原酶的nar BGHIJ /nap AB；编码亚硝酸盐还原酶功能基因：nosZ/nrf AH；功能基因相对丰度随水分梯度降低逐渐降低。

2. 编码硝酸盐还原酶的nas AB；硝化过程的氨单加氧酶的功能基因amo ABC；编码亚硝酸盐还原酶的功能基因：nir ABD，功能基因相对丰度随水分梯度降低逐渐升高。

3. 根际土＞非根际土：反硝化过程还原酶功能基因的nir S/nor B，同化硝酸盐还原酶nas A，亚硝酸还原酶nir D。

3.4 环境因子对微生物群落的影响

通过BIOENV分析发现，根际类型在解释微生物属群落是最显著的单因子（rM = 0.6694，P = 0.001），而根际类型、水分梯度与有机碳是影响属水平上微生物群落的最佳环境组合。

运用perMANOVA对这三个环境变量分析，表明根际类型解释了整体变量的40.21%，水分梯度解释了整体变量的7.07%，有机碳解释了整体变量的6.84%。

04讨论

4.1 水分有效性和根际效应对微生物群落和功能的塑造

根际效应是形成微生物群落组成的重要驱动力。此外，它也是导致根际土壤和非根际土壤微生物组成差异的主要因素。PCoA和聚类分析揭示了根际土壤与土壤样品间微生物群落组成和功能的差异。根际土壤有机碳和氮含量显著高于非根际土壤样品。这种现象可能与植物根系释放大量碳化合物以刺激根际微生物的生长有关。植物根系释放的有机化合物通过增强根际微生物的活性促进土壤有机碳的分解。有研究报道，该过程可使土壤有机质周转率平均增加59%，产生根际激发效应(根系积极影响有机碳分解)。

水分是荒漠环境中土壤微生物的重要限制因子，也是干旱区生态系统功能的主要驱动因子。本研究发现，水分含量对微生物群落及其功能的影响仅次于根际效应。土壤水分亏缺限制了土壤养分的运输和利用效率，从而加剧了微环境中植物与微生物对养分的竞争。其他环境因素如土壤EC、pH和氮含量对微生物群落结构和功能的影响相对较小。干旱和根际效应导致土壤微生物组成的快速变化，导致植物-微生物相互作用的变化，进而导致养分循环的变化。

4.2 不同水分有效性和根际效应下土壤微生物群落的响应模式

在属水平上，根据土壤微生物群落对水分有效性变化的响应模式，将土壤微生物群落分为限水群落、耐旱群落和惰性群落三类。高水梯度带靠近水源，增加了水分利用率和养分，以此增加了土壤微生物可利用的有机质，有利于芽单胞菌、芽单胞菌和红热菌等共生菌群的增殖。Fierer et al.(2007)和Manzoni et al.(2014)也报道了随着水分可用性的增加，Gemmatimonaides和其他植物区系的相对丰度呈增加趋势。微生物群落的生态策略是由资源的可用性和土壤环境条件决定的。耐旱群落的长期自然选择过程导致微生物群落对干旱环境的适应；但含水量的增加抑制了土壤微生物群落的活性。在本研究中，Microvirga、Nocardioides等微生物群落相对丰度在水资源充足的高水样地最低。同样，黑河流域Nocardioides相对丰度随含水量的增加呈现下降趋势。惰性群落在干旱胁迫下可以形成内生孢子以抵抗环境变化，表明不同水分限制水平下微生物群落对环境表现出不同的生态适应机制。

根际微生物对植物生长和活力起着至关重要的作用；根际微生物养分的有效性是高度动态的，根分泌物在形成微生物群落中发挥着重要作用。PGPRs包括不同的属，如中根根瘤菌、根瘤菌和短根根瘤菌，它们通常定植于根表面。根际土壤中，中根瘤菌、根瘤菌和慢根瘤菌的相对丰度显著高于非根际土壤。有趣的是，在不同的土壤单元中，根际土壤中盐单胞菌的相对丰度显著高于非根际土壤，这可能是盐单胞菌促进盐生植物根系生长的能力。因此，植物似乎招募了某些微生物类群，这提供了一个有利于植物生长的栖息地。

4.3 水分有效性和根际效应对微生物参与碳循环策略的影响

已有研究报道卡尔文循环是荒漠植物固碳的主要代谢途径。编码限速酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RuBP)的功能基因(rbcL和rbcS)参与碳固定过程的卡尔文循环。本研究中编码一氧化碳脱氢酶的功能基因一氧化碳脱氢酶大亚基(coxL)、一氧化碳脱氢酶小亚基(coxS)和一氧化碳脱氢酶介质亚基(coxM)的功能基因，它们催化CO氧化为CO₂。这些基因的相对丰度约为RubisCO功能基因的18倍。而在低水位梯度带中所占比例平均为13倍，与腾格里沙漠东南部所占比例相似。有研究报道，相对于其他土壤因子，水分含量是影响编码固碳过程功能基因的主要因素。其他研究表明，在一些CO氧化剂中，CO代谢保存的能量可以通过卡尔文循环来固定CO₂，产生新的物质或作为补充能量来源。在其他沙漠中，这可能主要是由高亲和力一氧化碳脱氢酶介导的CO₂固定化学合成支持的。因此，功能一氧化碳脱氢酶基因的含量高于RuBisCO功能基因的含量。这表明，功能性一氧化碳脱氢酶基因可能通过卡尔文循环或碳的化学合成参与二氧化碳固定过程。上述分析表明，在干旱土壤中，CO₂固定和CO氧化都起着重要作用。在处理外部碳源和能源利用时，微生物群落倾向于采取不同的策略来应对外部环境的变化。在选定的样地中，卡尔文固碳循环发生在低水位梯度区。中高水梯度带具有良好的资源条件。由于资源限制和压力较小，更多的能量可以用于编码碳固定过程中的基因，催化CO氧化为CO₂。这也说明这些固碳基因对微生物应对沙漠环境是有用的，因此它们参与这一过程是非常重要的。

根际土壤中参与C循环的功能cox基因的相对丰度显著高于非根际土壤。这表明根际在碳固定过程中起着至关重要的作用。在根际土壤5个固碳过程中，C4 -二羧酸循环、乙酰-辅酶a还原途径和不完全还原柠檬酸循环是主要过程。这可能是因为根分泌物促进了植物和微生物之间的交流，并为微生物提供光合产物。根系分泌物的分泌速率和组成可增加微生物对养分的矿化作用，从而影响植物在干旱胁迫下的恢复。然而，微生物群落的长期变化也可能影响后代植物对干旱的适应。因此，根际分泌物可能会影响生态系统中微生物群落的碳循环过程。

4.4 水分有效性和根际效应对微生物参与氮循环策略的影响

硝酸盐还原是全氮循环的主要代谢途径，平均硝酸盐还原酶基因丰度为69.83%。艾比湖盆地荒漠地区植物中参与硝酸盐还原代谢途径的基因在生长季高度丰富。硝态氮的异化还原为主要过程。随着水有效度的降低，微生物过程中异化硝酸盐过程的减少显著增加。在低水梯度区，更多的能量用于将NO₃⁻还原为有效NH₄⁺，有利于土壤中的氮。与高水梯度区相比，低水梯度区增加了有效NH₄⁺的比例，减少了N的损失过程。沙漠植物为了适应干旱和营养缺乏的环境，进化出了植物抗逆性机制。细胞内氮和能量分布的差异导致与氮功能相关的功能基因丰度的差异，从而导致微生物氮利用策略的平衡。因此，土壤微生物群落在响应水分有效性变化时，采取氮素形态优先利用策略，这可能与微生物对土壤氮素特征的长期适应有关。它不仅响应土壤氮形态，而且转化土壤氮形态，并对土壤氮形态的变化提供反馈响应。结果表明，由于细胞质中存在nas功能基因，低水梯度区硝酸还原酶活性显著高于高水梯度区和中水梯度区。因此，硝酸盐的同化需要ATP依赖的转运体将硝酸盐转运到细胞。来满足能源需求，nas基因的活性抑制在一个富铵环境(如肥沃的土壤)，而土壤肥力低水位梯度的区域相比明显降低，高和中等水梯度的区域。因此，在低水梯度区，同化性硝酸盐还原酶含量较高。土壤氮的流失主要是由于反硝化作用造成的。在不同样地，反硝化速率随水分有效度的降低而降低。参与反硝化作用的功能基因也呈现出类似的趋势，这可能是因为主要的环境因子不是O₂，而是土壤中的有机质和硝酸盐含量。有机质和硝酸盐都是高水梯度带的重要因子，其值高于低水梯度带。相关研究报道，在反硝化过程中，有机物的增加显著增加了功能性还原酶基因的丰度。参与脱氮的一氧化二氮还原酶(nosZ)功能基因的表达与水分有效性成正比。类似的研究发现，反硝化细菌群落nosZ基因表达的变化是由干旱加剧引起的。

与对NH₄⁺的利用相比，NO₃⁻需要先被还原为NO₂−，然后再被还原为NH₄⁺，才能被同化为氨基酸，这需要ATP和光合作用产生的还原剂。而在干旱地区，植物根系对有效NH₄⁺的需求较高。为了保证养分供应，根际环境中的微生物将植物的大部分NO₃⁻有效态转化为NH₄⁺，减少了N的损失。这种代谢多样性可能反映了一种重要的适应策略，以应对资源匮乏的低营养生物。根际土壤的硝化作用和反硝化作用都比普通土壤发生得少，这可能是由于植物发展了一种直接干扰竞争机制，通过有害微生物产生次生代谢产物(即化感作用)来减少氮的损失。草原生态系统中发现的低硝化速率证明了植物对N循环微生物的抑制现象。在硝化过程中会出现一种称为生物硝化抑制(BNI)的现象。抑制剂的释放通常是由根际土壤环境中高浓度的NH₄⁺引起的。根际土壤NH₄⁺含量显著高于非根际土壤；因此，根际土壤中很可能产生硝化抑制剂。根际氨氧化微生物的减少表明，根分泌物中的次生代谢产物可能会阻断氨单加氧酶和羟胺氧化还原酶。硝酸盐被还原为更稳定的铵态氮(DNRA)，其在土壤中的分布比之前认为的更广泛。DNRA可能有利于根际环境，从而使植物能够将氮保存在土壤中。根际土壤氮素含量(72.46%)高于非根际土壤(64.40%)。氨单加氧酶(AMO)表达较低，AMO是一种膜结合酶，可在细胞内膜中催化羟胺的生成。

05研究结论

土壤微生物作为生态过程的重要调节者，在干旱生态系统的恢复中发挥着重要作用。本研究综合研究了艾比湖流域荒漠地区不同水梯度带土壤微生物群落组成及根际和非根际土壤中荒漠植物C、N相关代谢途径的变化。土壤微生物利用水分限制、干旱耐受和惰性型的策略来响应水分可用性的变化。随着土壤水分有效性的增加，硝酸盐还原基因的丰度显著降低，而反硝化基因的丰度呈现相反的趋势。水分有效性和根际效应可以很好地解释微生物群落和C、N功能的变化。根际土壤异化硝酸盐还原过程的相对丰度显著高于非根际土壤。土壤微生物采用增加铵态氮的氮利用策略，以克服水分有效性降低和干燥环境，从而保证了氮的供应。根际微生物为根系提供了富氮的营养环境。因此，土壤微生物群落结构及C、N循环相关的代谢途径受到水分有效性和根际微环境的影响。我们的研究结果为干旱荒漠生态系统中土壤群落和功能的驱动因素提供了新的认识。目前，与C、N代谢相关的功能基因和环境因子的研究较多。而对磷、硫代谢及相关功能基因互作网络进行更高分辨率的分析尚需进一步研究。‍

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2021.104296

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