中山大学：植物修复过程中根际相关微生物的结构发育和组装模式
中山大学环境科学与工程学院晁元卿等人近期在《Science of the Total Environment》发表了题为《Structural development and assembly patterns of the root-associated microbiomes during phytoremediation》的文章。
该研究发现植物栽培和土壤改良可以导致微生物多样性增加，金属的生物生物利用率降低，表明这种复合土壤修复体系的可行性，同时提出了根际相关微生物群落的一种特殊组装模式，即由大麻槿选育出富含潜在金属耐受性和PGPB物种的核心根微生物组。这一核心微生物可在在金属胁迫条件下持续存在，潜在的金属耐受性PGPB物种为主要优势细菌，并突出了它们在金属污染环境中的关键作用。
研究摘要
原位植物修复的成功取决于根际与微生物之间的良性相互作用。然而，在植物修复过程中，根系与其相关微生物群的组装策略尚不清楚。
在此，我们研究了植物修复过程中根系与其相关微生物的组装模式，以及植物和重金属对其的调控。研究发现：（1）植物栽培和土壤改良，增加了微生物多样性，重组了微生物群落。（2）根际区系是根际相关微生物群落变异的最大来源，其根际内生环境又是最独立且专一的空间。较根际内生环境相比，土壤类型可以解释大部分微生物群落变异在块状土壤（植物根系土壤之外的土壤区域）以及根际土壤（围绕植物根系在土壤中的一个区域）中。（3）对金属具有耐受性的植物大麻槿(H.canabinus)有可能选择一种特定的核心根微生物群，其中所含有大量耐金属促植物生长的细菌(PGPB)如Enterobacteriaceae、Pseudomonadaceae和Comamonadaceae是主要优势细菌。（4）在金属污染条件下，根际相关微生物群落趋向于形成小生境组配，形成一个由变形菌门（Proteobacteria），放线菌门（Actinobacteria）以及绿弯菌门（Chloroflexi）为主要优势菌的小的微生物结构。（5）在这些细菌中，潜在的耐金属PGPB在微生物共生网络中占据了重要的地位，揭示了它们在金属污染环境中的重要作用。我们还发现了一个降低金属生物利用度的关键功能基团，它可能作为先锋，致力于维持整个微生物群落的结构和功能。
总之，本研究提出了一种植物修复过程中耐金属植物大麻槿根际相关微生物的特定组装模式。
文中主要图片说明
图1 基于香浓指数（a和b）和辛普森指数（c和d）对两种土壤的α多样性进行分析。UP代表未受污染的土壤；P代表受金属污染的土壤；PL代表含0.6%石灰的金属污染土壤；PCL代表含0.6%石灰和5%堆肥的金属污染土壤。基于对不同土壤类型以及培养方式对微生物多样性的影响发现，在温室试验和田间试验中，土壤类型对细菌α-多样性有显著影响。金属污染土壤样品的α多样性低于未污染土壤样品，而土壤改良剂则显示出恢复作用。
图2 对温室试验(a-f)和田间试验(h-l)中微生物群落的PCoA分析，采用加权(a，c，e，g，i和k)和未加权(b，d，f，h，j和l)的unifrac距离指标来评价所有样本的分布模式。基于加权和未加权分析，不同样本在主坐标上引起明显的分离。栽培阶段在田间试验中表现出更显著的效果（图2 a, b, g, h）。然而，土壤类型引起的细菌群落的显著分离只出现在每个区系间，而不是所有数据中（图2 c, d, i, j）。
图3 火山图(a，b)显示温室试验和田间试验中不同舱室中的otus的富集和耗尽。彩色点代表与大块土壤相比，OTUs明显富集或耗尽(p<0.01)。Venn图(c，d)显示温室试验和田间试验中组间的富集和损耗。进一步分析不同区系对微生物群落组成的影响，对不同区系间OTU丰度进行分析，在根际区域以及根系内生环境的OTUs有明显的富集和耗尽现象，其中内生环境似乎更具有排斥性。在根际区域所富集的OTUs多数属于变形菌门和放线菌门，这两个细菌门在内生环境中同样被富集。
图4 在温室内的所有土壤中的内生圈实验中，H. cannabinus的核心微生物主要有48个OTUs组成。内生环境中微生物群落受金属污染和土壤改良的影响较小，在温室试验中，有48只OTUs，主要隶属于变形菌门、放线菌门和拟杆菌门，在所有土壤类型中均被富集。
图5 空白土壤（a），根际（b）以及内生（c）环境微生物相互作用网络图。基于网络图可以发现，在块状土壤区系（62个节点）中，微生物与环境因子之间作用关系比根际区系（6个节点）和内生环境（15个节点）更加明显，说明在金属污染条件下，块状土壤受到的影响最大。在块状土壤区系中，土壤有效态Cd与土壤微生物丰度的相关性最强，其次是土壤有效Pb，Cu和Zu。在金属有效性与微生物变异表现出正相关时，这种金属有效性要么优先于微生物变异，要么与其同步发生。而在所有负相关中，微生物的变异都先于金属的有效性。
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