蒙古栎纯林根际与非根际微生物群落结构对土壤碳氮的响应
侯馨博, 赵秀海, 何怀江, 张春雨, 王娟, 任雪莹, 张新娜
生物多样性
2025, 33 ( 7):
25119-.
DOI: 10.17520/biods.2025119
根际微域是植物-土壤互作的关键界面, 其与非根际微生物群落结构的分异特征及碳氮含量的调控作用共同塑造了森林土壤养分循环的微观格局。本研究通过高通量测序技术, 分析了蒙古栎(Quercus mongolica)纯林根际与非根际土壤微生物群落结构、多样性、功能及其对碳氮含量的响应。结果显示, 根际土壤的特有扩增子序列变体(amplicon sequence variants, ASVs)数量多于非根际。在门水平上, 根际细菌以变形菌门和酸杆菌门为主; 根际真菌群落的子囊菌门丰度显著高于非根际, 而担子菌门则呈现相反趋势。根际土壤中富营养型细菌通过快速利用根系分泌的简单碳源而占主导, 而非根际寡营养型菌群更适应低养分环境; 真菌群落中, 子囊菌门在根际占优势, 非根际以担子菌门为主, 这主要由根际效应(碳源输入)与非根际环境(有机质分解)的异质性驱动。α多样性表明, 根际真菌Shannon多样性指数和Chao1均匀度指数显著高于非根际, 而细菌多样性无显著差异; β多样性表明, 根际与非根际微生物群落组成差异显著。功能预测显示, 蒙古栎林土壤细菌与真菌分别富集于氨基酸合成与呼吸相关代谢通路, 其互补的代谢功能(辅因子合成、碳氮源交换)可能会增强蒙古栎林土壤的物质循环效率。根际土壤富集有机质分解菌(如Candidatus Udaeobacter)和氮循环功能菌(如Bradyrhizobium), 其代谢途径可能以氨基酸生物合成等为主。土壤碳氮梯度通过资源竞争和代谢适应对微生物多样性和丰度产生影响: 根际细菌多样性与有机碳呈正相关, 真菌群落丰度与全碳及C : N显著关联。本研究揭示了蒙古栎根际效应对土壤微生物结构与功能的调控, 可为蒙古栎林的科学管理及东北退化森林的恢复提供参考。
| 样本
Sample | 基于Bray-Curtis距离的F统计值
F-statistic value based on Bray-Curtis distance (P) | | R1 | R2 | R3 | 细菌
Bacteria | NR1 | 4.78 (0.001) | 7.23 (0.001) | 7.19 (0.001) | | NR2 | 2.62 (0.001) | 3.63 (0.001) | 4.05 (0.001) | | NR3 | 3.56 (0.001) | 3.58 (0.001) | 1.80 (0.002) | 真菌
Fungi | NR1 | 2.47 (0.001) | 4.95 (0.001) | 5.29 (0.001) | | NR2 | 2.93 (0.001) | 2.28 (0.001) | 2.43 (0.001) | | NR3 | 2.43 (0.001) | 2.58 (0.001) | 1.23 (0.093) |
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表1
根际(R)与非根际(NR)土壤微生物群落组间差异分析(基于Bray-Curtis距离的PERMANOVA检验)。R1-3和NR1-3分别代表样地1-3的根际与非根际土壤。
正文中引用本图/表的段落
蒙古栎是温带森林最常见的树种之一, 因耐寒、耐瘠薄、喜光的特性成为营造防风林、水源涵养林和防火林的优良树种(于海媛等, 2023)。蒙古栎根系发达, 通过根系分泌物、菌根共生等途径与土壤微生物建立了紧密的联系(付粱晨等, 2024)。近年来, 大量研究针对其根际微生态动态调节机制展开: 付粱晨等(2024)系统研究了蒙古栎根际效应的季节动态; 冀瑞卿等(2019)分析了蒙古栎根内及根际土壤中内生菌根真菌、外生菌根真菌和细菌群落组成, 发现根瘤菌、外生菌根真菌等关键功能类群占主导地位, 表明根系与微生物的互利共生关系。因此, 为了进一步提高蒙古栎林的科学管理水平并为东北退化林恢复提供可参考依据, 分析蒙古栎根际与非根际土壤微生物群落结构与功能的分异及对碳氮含量的响应是十分必要的。本研究通过对蒙古栎林根际与非根际土壤碳氮含量-土壤微生物互作的分析, 旨在解决以下科学问题: (1)蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落结构及多样性存在何种差异; (2)根际与非根际土壤细菌与真菌的群落结构及多样性差异是否与土壤碳氮含量显著相关。
为进一步探究群落结构的空间异质性, 通过β多样性分析揭示沿根际-非根际环境梯度微生物群落的组成差异。基于Bray-Curtis距离的NMDS分析显示(图3), 细菌群落在二维排序空间中的应力值为0.136 (< 0.2), 置信椭圆重叠区域较小, 表明排序结果能有效反映样本间真实距离关系。图3b表明, 真菌群落的NMDS分析中95%置信椭圆重合面积较大, 且应力值为0.273 (> 0.2), 说明该NMDS排序结果对样本间真实关系的反映不够准确。因此, 我们进一步进行基于Bray-Curtis距离的PERMANOVA检验。除NR3与R3外, 所有比较组均有显著性差异(P < 0.05)。综上, 根际与非根际土壤微生物群落组成之间存在显著性差异(P < 0.05) (表1)。
表中数据为平均值 ± 标准差; 数据后, 同行不同小写字母表示差异显著(P < 0.05), 同行不同大写字母表示差异极显著(P < 0.01). ... Diversity and community structure of soil bacteria in different volcanoes, Wudalianchi 1 2021 ... 在蒙古栎林中, 根际与非根际土壤细菌群落在门水平上存在显著差异.根际土壤中变形菌门的富集与其富营养型代谢策略密切相关, 曾青等(2023)的研究指出, 该类群能够快速利用根系分泌的简单碳源(如葡萄糖、有机酸), 并通过高效的营养竞争占据主导地位.相比之下, 非根际土壤中酸杆菌门的寡营养适应性使其在低养分环境中更具竞争力(刘京伟等, 2021).此外, 土壤理化性质的差异(如pH值、有机质含量)也在塑造根际与非根际土壤细菌群落结构方面发挥着重要作用(黄庆阳等, 2021; Wei et al, 2023).真菌群落同样存在差异, 主要表现为根际土壤中子囊菌门相对丰度较高, 而非根际土壤中担子菌门更占优势.刘京伟等(2021)的研究指出, 根际富含植物根系分泌的碳源, 有利于子囊菌门的生长, 而非根际土壤较为稳定, 担子菌门则可能主要通过分解有机质维持其生态位(Sergentani et al, 2016).这些结果表明, 植物-微生物互作、土壤环境异质性共同驱动了蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落的组成差异. ... 五大连池火山土壤细菌多样性及其群落结构 1 2021 ... 在蒙古栎林中, 根际与非根际土壤细菌群落在门水平上存在显著差异.根际土壤中变形菌门的富集与其富营养型代谢策略密切相关, 曾青等(2023)的研究指出, 该类群能够快速利用根系分泌的简单碳源(如葡萄糖、有机酸), 并通过高效的营养竞争占据主导地位.相比之下, 非根际土壤中酸杆菌门的寡营养适应性使其在低养分环境中更具竞争力(刘京伟等, 2021).此外, 土壤理化性质的差异(如pH值、有机质含量)也在塑造根际与非根际土壤细菌群落结构方面发挥着重要作用(黄庆阳等, 2021; Wei et al, 2023).真菌群落同样存在差异, 主要表现为根际土壤中子囊菌门相对丰度较高, 而非根际土壤中担子菌门更占优势.刘京伟等(2021)的研究指出, 根际富含植物根系分泌的碳源, 有利于子囊菌门的生长, 而非根际土壤较为稳定, 担子菌门则可能主要通过分解有机质维持其生态位(Sergentani et al, 2016).这些结果表明, 植物-微生物互作、土壤环境异质性共同驱动了蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落的组成差异. ... Study on the characteristics and common rule of bacteria community in banana rhizosphere and non-rhizosphere soil 1 2022 ... β多样性方面, 根际与非根际土壤细菌群落存在显著差异.Cai等(2021)的研究证明, 变形菌门和放线菌门对简单碳源的利用较为高效, 通常在根际土壤中富集, 而酸杆菌门和绿弯菌门等适应低养分、复杂碳源的环境, 在非根际土壤中较为常见(Ai et al, 2015).另外, 根系分泌的有机酸可能导致根际土壤pH值低于非根际, 从而筛选出特定的耐酸菌群(黄穗萍等, 2022); 根际的高碳氮环境可能会促进富营养型细菌的增殖(盛玉珍等, 2024).对于真菌, 本研究中NMDS分析结果不佳, 可能是由于真菌群落的分布呈现较强的非线性特征, 导致排序模型拟合效果差.Petrolli等(2021)研究中也有类似的报道.尽管这种差异在可视化中不明显, 但PERMANOVA检验还是检测到了组间差异的统计显著性.这表明根际与非根际真菌群落的差异可能集中在少数关键分类单元(如共生真菌或病原菌), 这些差异在整体群落中占比小, 但在统计学上是显著的(曾青等, 2024). ... 香蕉根际及非根际土壤细菌群落特征及共性规律研究 1 2022 ... β多样性方面, 根际与非根际土壤细菌群落存在显著差异.Cai等(2021)的研究证明, 变形菌门和放线菌门对简单碳源的利用较为高效, 通常在根际土壤中富集, 而酸杆菌门和绿弯菌门等适应低养分、复杂碳源的环境, 在非根际土壤中较为常见(Ai et al, 2015).另外, 根系分泌的有机酸可能导致根际土壤pH值低于非根际, 从而筛选出特定的耐酸菌群(黄穗萍等, 2022); 根际的高碳氮环境可能会促进富营养型细菌的增殖(盛玉珍等, 2024).对于真菌, 本研究中NMDS分析结果不佳, 可能是由于真菌群落的分布呈现较强的非线性特征, 导致排序模型拟合效果差.Petrolli等(2021)研究中也有类似的报道.尽管这种差异在可视化中不明显, 但PERMANOVA检验还是检测到了组间差异的统计显著性.这表明根际与非根际真菌群落的差异可能集中在少数关键分类单元(如共生真菌或病原菌), 这些差异在整体群落中占比小, 但在统计学上是显著的(曾青等, 2024). ... Elevational patterns of microbial species richness and evenness across climatic zones and taxonomic scales 1 2023 ... α多样性方面, 真菌对根系分泌物的响应可能比细菌更敏感, 导致其在根际与非根际的物种丰富度指数(Chao1)和多样性指数(Shannon、Simpson)表现出显著不同(Li et al, 2023; 朱媛等, 2024).这种差异可能源于真菌庞大的菌丝网络, 使其具有更高效的分泌物感知和吸收能力.例如, 子囊菌门对低分子量碳源的快速利用能力较强使其在根际富集(曾青等, 2023), 而担子菌门更依赖复杂碳源, 在非根际凋落物层中更具竞争力(Manici et al, 2024).然而, 在本研究中, 真菌群落的均匀度未表现出显著差异, 这可能是因为根际土壤中某些优势真菌类群可能通过竞争排斥效应抑制其他菌种的生长, 形成并维持了由少数优势种主导的相对稳定的群落结构(Huang et al, 2023).相比之下, 细菌群落的均匀度则表现出显著差异, 这可能是由于根际分泌物为具有不同资源利用策略的细菌提供了共存的机会, 从而抑制了单一富营养型细菌类群的绝对主导, 导致群落均匀度较非根际升高(朱萍等, 2024).而在资源相对均质化的非根际土壤中, 寡营养型细菌在长期资源竞争中形成了均匀度相对较低的群落(Huo et al, 2023). ... Microbial community assembly and its influencing factors of secondary forests in Qinling Mountains 1 2023 ... α多样性方面, 真菌对根系分泌物的响应可能比细菌更敏感, 导致其在根际与非根际的物种丰富度指数(Chao1)和多样性指数(Shannon、Simpson)表现出显著不同(Li et al, 2023; 朱媛等, 2024).这种差异可能源于真菌庞大的菌丝网络, 使其具有更高效的分泌物感知和吸收能力.例如, 子囊菌门对低分子量碳源的快速利用能力较强使其在根际富集(曾青等, 2023), 而担子菌门更依赖复杂碳源, 在非根际凋落物层中更具竞争力(Manici et al, 2024).然而, 在本研究中, 真菌群落的均匀度未表现出显著差异, 这可能是因为根际土壤中某些优势真菌类群可能通过竞争排斥效应抑制其他菌种的生长, 形成并维持了由少数优势种主导的相对稳定的群落结构(Huang et al, 2023).相比之下, 细菌群落的均匀度则表现出显著差异, 这可能是由于根际分泌物为具有不同资源利用策略的细菌提供了共存的机会, 从而抑制了单一富营养型细菌类群的绝对主导, 导致群落均匀度较非根际升高(朱萍等, 2024).而在资源相对均质化的非根际土壤中, 寡营养型细菌在长期资源竞争中形成了均匀度相对较低的群落(Huo et al, 2023). ... Analyses on the composition of symbiotic fungi and bacteria in the roots and rhizosphere soil of Quercus mongolica 1 2019 ... 蒙古栎是温带森林最常见的树种之一, 因耐寒、耐瘠薄、喜光的特性成为营造防风林、水源涵养林和防火林的优良树种(于海媛等, 2023).蒙古栎根系发达, 通过根系分泌物、菌根共生等途径与土壤微生物建立了紧密的联系(付粱晨等, 2024).近年来, 大量研究针对其根际微生态动态调节机制展开: 付粱晨等(2024)系统研究了蒙古栎根际效应的季节动态; 冀瑞卿等(2019)分析了蒙古栎根内及根际土壤中内生菌根真菌、外生菌根真菌和细菌群落组成, 发现根瘤菌、外生菌根真菌等关键功能类群占主导地位, 表明根系与微生物的互利共生关系.因此, 为了进一步提高蒙古栎林的科学管理水平并为东北退化林恢复提供可参考依据, 分析蒙古栎根际与非根际土壤微生物群落结构与功能的分异及对碳氮含量的响应是十分必要的.本研究通过对蒙古栎林根际与非根际土壤碳氮含量-土壤微生物互作的分析, 旨在解决以下科学问题: (1)蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落结构及多样性存在何种差异; (2)根际与非根际土壤细菌与真菌的群落结构及多样性差异是否与土壤碳氮含量显著相关. ... 蒙古栎根内及根围土壤中共生真菌和细菌群落组成分析 1 2019 ... 蒙古栎是温带森林最常见的树种之一, 因耐寒、耐瘠薄、喜光的特性成为营造防风林、水源涵养林和防火林的优良树种(于海媛等, 2023).蒙古栎根系发达, 通过根系分泌物、菌根共生等途径与土壤微生物建立了紧密的联系(付粱晨等, 2024).近年来, 大量研究针对其根际微生态动态调节机制展开: 付粱晨等(2024)系统研究了蒙古栎根际效应的季节动态; 冀瑞卿等(2019)分析了蒙古栎根内及根际土壤中内生菌根真菌、外生菌根真菌和细菌群落组成, 发现根瘤菌、外生菌根真菌等关键功能类群占主导地位, 表明根系与微生物的互利共生关系.因此, 为了进一步提高蒙古栎林的科学管理水平并为东北退化林恢复提供可参考依据, 分析蒙古栎根际与非根际土壤微生物群落结构与功能的分异及对碳氮含量的响应是十分必要的.本研究通过对蒙古栎林根际与非根际土壤碳氮含量-土壤微生物互作的分析, 旨在解决以下科学问题: (1)蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落结构及多样性存在何种差异; (2)根际与非根际土壤细菌与真菌的群落结构及多样性差异是否与土壤碳氮含量显著相关. ... The effect of resource quantity and resource stoichiometry on microbial carbon-use-efficiency 1 2010 ... 土壤理化性质通过资源异质性与环境胁迫双路径塑造微生物群落(葛艺等, 2019).根际微生物对可溶性碳源高度敏感, 其群落多样性随根际可溶性碳含量的增加而升高, 但也受到施肥水平等环境因素的调控(张恩平等, 2018).碳与氮的化学计量比(C : N)通过调控微生物能量分配策略影响其代谢分工.Keiblinger等(2010)研究发现, 真菌在高C : N条件下表现出更高的碳利用效率(carbon use efficiency, CUE), 其通过优先分配能量至生物量合成而非呼吸作用, 主导难分解碳源的降解; 而细菌在低C : N环境中通过快速周转速效养分维持代谢活性, CUE受磷调控显著.Si等(2022)的研究发现土壤理化因子与蒙古栎外生菌根区微生物群落组成显著相关.Guo等(2024)通过功能预测分析发现, 蒙古栎外生菌根区微生物的代谢功能与土壤理化性质密切相关, 尤其在碳、氮循环相关途径中表现显著. ... Bioactive secondary metabolites from Trichoderma spp. against phytopathogenic bacteria and root-knot nematode 1 2020 ... Functional description of some genera with significant changes in the relative abundance of rhizosphere (R) and non-rhizosphere (NR) soil bacteria and fungi
表中数据为平均值 ± 标准差; 数据后, 同行不同小写字母表示差异显著(P < 0.05), 同行不同大写字母表示差异极显著(P < 0.01). ... Linking enzymatic oxidative degradation of lignin to organics detoxification 1 2018 ... 在根际高碳输入环境下, 富营养菌快速利用简单碳源后衰亡, 其残体可能被芽单胞菌门等寡营养菌转化, 释放可溶性有机碳, 从而直接增加SOC含量(Li et al, 2010).担子菌门则优先分解富含木质素的植物残体, 加速有机碳矿化并释放氮素, 导致TC和TN的消耗(Wang et al, 2018; 冉堃等, 2023).子囊菌门在C : N较高的土壤中, 可能通过分泌胞外酶分解纤维素等中低分子有机物, 促进有机质的短期积累, 且其对氮素需求相对较低, 从而与C : N呈正相关(冉堃等, 2023; Li et al, 2024).被孢霉门和油壶菌门的菌丝可能形成致密的丝状网络, 通过促进土壤团聚体的形成来增强有机碳的物理保护作用, 且菌丝分泌的胞外聚合物可直接结合矿物颗粒与有机质, 减少SOC的矿化损失(秦家凤等, 2022).蒙古栎林下的凋落物通常具有较高的木质素含量和较低的分解速率, 导致土壤有机碳积累及C : N升高, 此类生境可能选择性地富集具有强碳分解能力的毛霉门真菌(罗春林等, 2017). ... Mycorrhization of Quercus mongolica seedlings by Tuber melanosporum alters root carbon exudation and rhizosphere bacterial communities 1 2021 ... 根际土壤中多种有机质分解菌的相对丰度显著高于非根际, 这可能与蒙古栎根系持续释放的易分解碳源密切相关.这些易利用碳源会优先刺激那些编码丰富碳水化合物活性酶的细菌类群在根际定殖与增殖, 进而加速有机质的分解过程(Wang et al, 2021).同时, 根际土壤中与固氮相关的菌属相对丰度也显著升高, 这一结果表明蒙古栎在其季节性氮需求高峰可能通过根系分泌的信号分子招募Bradyrhizobium等固氮菌(朱媛等, 2024). ... Dynamic changes of soil microorganisms in rotation farmland at the western foot of the Greater Khingan Range 1 2023 ... 在蒙古栎林中, 根际与非根际土壤细菌群落在门水平上存在显著差异.根际土壤中变形菌门的富集与其富营养型代谢策略密切相关, 曾青等(2023)的研究指出, 该类群能够快速利用根系分泌的简单碳源(如葡萄糖、有机酸), 并通过高效的营养竞争占据主导地位.相比之下, 非根际土壤中酸杆菌门的寡营养适应性使其在低养分环境中更具竞争力(刘京伟等, 2021).此外, 土壤理化性质的差异(如pH值、有机质含量)也在塑造根际与非根际土壤细菌群落结构方面发挥着重要作用(黄庆阳等, 2021; Wei et al, 2023).真菌群落同样存在差异, 主要表现为根际土壤中子囊菌门相对丰度较高, 而非根际土壤中担子菌门更占优势.刘京伟等(2021)的研究指出, 根际富含植物根系分泌的碳源, 有利于子囊菌门的生长, 而非根际土壤较为稳定, 担子菌门则可能主要通过分解有机质维持其生态位(Sergentani et al, 2016).这些结果表明, 植物-微生物互作、土壤环境异质性共同驱动了蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落的组成差异. ... Research advances in microbial mechanisms underlying priming effect of soil organic carbon mineralization 1 2019 ... 土壤微生物群落与碳氮因子的关联揭示了资源竞争与代谢适应在驱动微生物分布中的关键作用.在根际土壤中, 植物根系持续分泌大量易分解碳, 这些碳源优先刺激腐生真菌的增殖(李清鑫等, 2024); 真菌通过分解高C : N的根系分泌物和死根残体, 显著提升了SOC积累(班明江等, 2024), 而氮矿化相对滞后, 导致TN与C : N升高(程淑兰等, 2018).在非根际土壤中, 细菌对低C : N有机质的竞争优势可能增强, 而真菌则可能通过分泌抗生素抑制细菌以获取资源(Wang & Kuzyakov, 2024), 这一过程加速了有机氮矿化, 但矿化产物易被植物或细菌吸收, 导致TN与真菌群落无显著关联, 仅保留了真菌驱动的碳稳定性, 表现为与C : N呈正相关(魏圆云等, 2019). ... 土壤有机碳矿化激发效应的微生物机制研究进展 1 2019 ... 土壤微生物群落与碳氮因子的关联揭示了资源竞争与代谢适应在驱动微生物分布中的关键作用.在根际土壤中, 植物根系持续分泌大量易分解碳, 这些碳源优先刺激腐生真菌的增殖(李清鑫等, 2024); 真菌通过分解高C : N的根系分泌物和死根残体, 显著提升了SOC积累(班明江等, 2024), 而氮矿化相对滞后, 导致TN与C : N升高(程淑兰等, 2018).在非根际土壤中, 细菌对低C : N有机质的竞争优势可能增强, 而真菌则可能通过分泌抗生素抑制细菌以获取资源(Wang & Kuzyakov, 2024), 这一过程加速了有机氮矿化, 但矿化产物易被植物或细菌吸收, 导致TN与真菌群落无显著关联, 仅保留了真菌驱动的碳稳定性, 表现为与C : N呈正相关(魏圆云等, 2019). ... Rice rhizosphere microbiomes and their driving cycling of soil carbon, nitrogen, and phosphorus 1 2024 ... 土壤微生物作为生态系统功能的核心驱动者, 主导着有机质分解、养分循环及植物健康维持等生物学过程(Fontúrbel et al, 2012).近些年关于土壤微生物的研究主要围绕3个方向: 微生物群落构建机制(Bulgarelli et al, 2013; Lu et al, 2023)、功能代谢互作(Erktan et al, 2020)及其对环境因子的响应(Esperschütz et al, 2013; 张健等, 2022).其中根际微生物作为土壤-植物界面互作的核心载体和上述研究的焦点区域, 因其直接受植物根系分泌物调控而展现出高度的宿主特异性, 而受到调控的根际微生物又对植物群落构建具有重要影响(时雷雷和傅声雷, 2014).例如, 植物根际分泌物可以加速根际微生物对根际土壤有机质的矿化(Kuzyakov, 2010).此外, 这种宿主调控下的根际微生物群落, 其结构、功能及动态变化对环境扰动(尤其是关键土壤养分如碳、氮的变化)的响应尤为敏感且独特(尹丹等, 2024).Bulgarelli等(2013)提出的“两步选择模型”和Ling等(2022)的研究表明, 根际分泌物驱动底物选择, 根际沉积提供的丰富有机底物刺激土壤微生物在根组织附近大量繁殖, 从而引发土壤生物群落的转变, 使根际生物群落逐渐区别于周围土壤生物群落.非根际土壤为根际微生物的定向富集提供了原始基因池, 之后在根际微生物群落初步形成的基础上, 宿主基因型对根内微生物群的组成进行更进一步的精细调节(葛艺等, 2019), 两类微生物群落的协同作用共同维持了土壤生态系统的稳定性与多功能性.因此, 深入研究特定宿主植物系统(如蒙古栎(Quercus mongolica)纯林)中根际和非根际微生物群落对土壤碳氮变化的响应规律与机制, 有助于揭示植物-微生物互作在环境适应中的核心作用. ... 水稻根际微生物及其驱动的土壤碳氮磷循环 1 2024 ... 土壤微生物作为生态系统功能的核心驱动者, 主导着有机质分解、养分循环及植物健康维持等生物学过程(Fontúrbel et al, 2012).近些年关于土壤微生物的研究主要围绕3个方向: 微生物群落构建机制(Bulgarelli et al, 2013; Lu et al, 2023)、功能代谢互作(Erktan et al, 2020)及其对环境因子的响应(Esperschütz et al, 2013; 张健等, 2022).其中根际微生物作为土壤-植物界面互作的核心载体和上述研究的焦点区域, 因其直接受植物根系分泌物调控而展现出高度的宿主特异性, 而受到调控的根际微生物又对植物群落构建具有重要影响(时雷雷和傅声雷, 2014).例如, 植物根际分泌物可以加速根际微生物对根际土壤有机质的矿化(Kuzyakov, 2010).此外, 这种宿主调控下的根际微生物群落, 其结构、功能及动态变化对环境扰动(尤其是关键土壤养分如碳、氮的变化)的响应尤为敏感且独特(尹丹等, 2024).Bulgarelli等(2013)提出的“两步选择模型”和Ling等(2022)的研究表明, 根际分泌物驱动底物选择, 根际沉积提供的丰富有机底物刺激土壤微生物在根组织附近大量繁殖, 从而引发土壤生物群落的转变, 使根际生物群落逐渐区别于周围土壤生物群落.非根际土壤为根际微生物的定向富集提供了原始基因池, 之后在根际微生物群落初步形成的基础上, 宿主基因型对根内微生物群的组成进行更进一步的精细调节(葛艺等, 2019), 两类微生物群落的协同作用共同维持了土壤生态系统的稳定性与多功能性.因此, 深入研究特定宿主植物系统(如蒙古栎(Quercus mongolica)纯林)中根际和非根际微生物群落对土壤碳氮变化的响应规律与机制, 有助于揭示植物-微生物互作在环境适应中的核心作用. ... Present situation and management suggestions of Quercus mongolica forest resources in Jiaohe City 1 2023 ... 蒙古栎是温带森林最常见的树种之一, 因耐寒、耐瘠薄、喜光的特性成为营造防风林、水源涵养林和防火林的优良树种(于海媛等, 2023).蒙古栎根系发达, 通过根系分泌物、菌根共生等途径与土壤微生物建立了紧密的联系(付粱晨等, 2024).近年来, 大量研究针对其根际微生态动态调节机制展开: 付粱晨等(2024)系统研究了蒙古栎根际效应的季节动态; 冀瑞卿等(2019)分析了蒙古栎根内及根际土壤中内生菌根真菌、外生菌根真菌和细菌群落组成, 发现根瘤菌、外生菌根真菌等关键功能类群占主导地位, 表明根系与微生物的互利共生关系.因此, 为了进一步提高蒙古栎林的科学管理水平并为东北退化林恢复提供可参考依据, 分析蒙古栎根际与非根际土壤微生物群落结构与功能的分异及对碳氮含量的响应是十分必要的.本研究通过对蒙古栎林根际与非根际土壤碳氮含量-土壤微生物互作的分析, 旨在解决以下科学问题: (1)蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落结构及多样性存在何种差异; (2)根际与非根际土壤细菌与真菌的群落结构及多样性差异是否与土壤碳氮含量显著相关. ... 蛟河市蒙古栎林资源现状分析与经营建议 1 2023 ... 蒙古栎是温带森林最常见的树种之一, 因耐寒、耐瘠薄、喜光的特性成为营造防风林、水源涵养林和防火林的优良树种(于海媛等, 2023).蒙古栎根系发达, 通过根系分泌物、菌根共生等途径与土壤微生物建立了紧密的联系(付粱晨等, 2024).近年来, 大量研究针对其根际微生态动态调节机制展开: 付粱晨等(2024)系统研究了蒙古栎根际效应的季节动态; 冀瑞卿等(2019)分析了蒙古栎根内及根际土壤中内生菌根真菌、外生菌根真菌和细菌群落组成, 发现根瘤菌、外生菌根真菌等关键功能类群占主导地位, 表明根系与微生物的互利共生关系.因此, 为了进一步提高蒙古栎林的科学管理水平并为东北退化林恢复提供可参考依据, 分析蒙古栎根际与非根际土壤微生物群落结构与功能的分异及对碳氮含量的响应是十分必要的.本研究通过对蒙古栎林根际与非根际土壤碳氮含量-土壤微生物互作的分析, 旨在解决以下科学问题: (1)蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落结构及多样性存在何种差异; (2)根际与非根际土壤细菌与真菌的群落结构及多样性差异是否与土壤碳氮含量显著相关. ... Microbial communities in the rhizosphere of watermelon varieties resistant and susceptible to Fusarium wilt: Differences and relationship with disease occurrence 1 2024 ... β多样性方面, 根际与非根际土壤细菌群落存在显著差异.Cai等(2021)的研究证明, 变形菌门和放线菌门对简单碳源的利用较为高效, 通常在根际土壤中富集, 而酸杆菌门和绿弯菌门等适应低养分、复杂碳源的环境, 在非根际土壤中较为常见(Ai et al, 2015).另外, 根系分泌的有机酸可能导致根际土壤pH值低于非根际, 从而筛选出特定的耐酸菌群(黄穗萍等, 2022); 根际的高碳氮环境可能会促进富营养型细菌的增殖(盛玉珍等, 2024).对于真菌, 本研究中NMDS分析结果不佳, 可能是由于真菌群落的分布呈现较强的非线性特征, 导致排序模型拟合效果差.Petrolli等(2021)研究中也有类似的报道.尽管这种差异在可视化中不明显, 但PERMANOVA检验还是检测到了组间差异的统计显著性.这表明根际与非根际真菌群落的差异可能集中在少数关键分类单元(如共生真菌或病原菌), 这些差异在整体群落中占比小, 但在统计学上是显著的(曾青等, 2024). ... 西瓜枯萎病抗感品种根际微生物群落特征差异及其与病害发生的关系 1 2024 ... β多样性方面, 根际与非根际土壤细菌群落存在显著差异.Cai等(2021)的研究证明, 变形菌门和放线菌门对简单碳源的利用较为高效, 通常在根际土壤中富集, 而酸杆菌门和绿弯菌门等适应低养分、复杂碳源的环境, 在非根际土壤中较为常见(Ai et al, 2015).另外, 根系分泌的有机酸可能导致根际土壤pH值低于非根际, 从而筛选出特定的耐酸菌群(黄穗萍等, 2022); 根际的高碳氮环境可能会促进富营养型细菌的增殖(盛玉珍等, 2024).对于真菌, 本研究中NMDS分析结果不佳, 可能是由于真菌群落的分布呈现较强的非线性特征, 导致排序模型拟合效果差.Petrolli等(2021)研究中也有类似的报道.尽管这种差异在可视化中不明显, 但PERMANOVA检验还是检测到了组间差异的统计显著性.这表明根际与非根际真菌群落的差异可能集中在少数关键分类单元(如共生真菌或病原菌), 这些差异在整体群落中占比小, 但在统计学上是显著的(曾青等, 2024). ... Research progress on ecological functions and community assembly of plant microbiomes 2 2023 ... 在蒙古栎林中, 根际与非根际土壤细菌群落在门水平上存在显著差异.根际土壤中变形菌门的富集与其富营养型代谢策略密切相关, 曾青等(2023)的研究指出, 该类群能够快速利用根系分泌的简单碳源(如葡萄糖、有机酸), 并通过高效的营养竞争占据主导地位.相比之下, 非根际土壤中酸杆菌门的寡营养适应性使其在低养分环境中更具竞争力(刘京伟等, 2021).此外, 土壤理化性质的差异(如pH值、有机质含量)也在塑造根际与非根际土壤细菌群落结构方面发挥着重要作用(黄庆阳等, 2021; Wei et al, 2023).真菌群落同样存在差异, 主要表现为根际土壤中子囊菌门相对丰度较高, 而非根际土壤中担子菌门更占优势.刘京伟等(2021)的研究指出, 根际富含植物根系分泌的碳源, 有利于子囊菌门的生长, 而非根际土壤较为稳定, 担子菌门则可能主要通过分解有机质维持其生态位(Sergentani et al, 2016).这些结果表明, 植物-微生物互作、土壤环境异质性共同驱动了蒙古栎林根际与非根际土壤微生物群落的组成差异. ...
本文的其它图/表
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图1
根际(R)与非根际(NR)土壤细菌(a)和真菌(b)门水平组成
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图2
根际(R)与非根际(NR)土壤细菌(a)和真菌(b)群落α多样性指数。Chao1: Chao1丰富度指数; Simpson: Simpson多样性指数; Pielou_e: Pielou均匀度指数; Shannon: Shannon多样性指数; Observed_species: Observed species丰富度指数。* P < 0.05; ** P < 0.01; *** P < 0.001。
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图3
基于Bray-Curtis距离的根际(R)与非根际(NR)土壤细菌(a)和真菌(b)群落非度量多维尺度分析(NMDS)
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表2
根际(R)与非根际(NR)土壤细菌和真菌相对丰度存在显著变化的部分属的功能描述
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表3
土壤碳氮化学计量学特征
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图4
根际(a)与非根际(b)土壤微生物群落与土壤碳氮因子Mantel检验相关性分析。格子内颜色梯度表示Pearson的相关性系数, * P < 0.05, ** P < 0.01; 两点连线的颜色表示统计显著性, 宽度表示相关性的Mantel’s r统计量, 实线表示正相关关系, 虚线表示负相关关系, 橙色代表极显著相关(P < 0.01), 绿色代表显著相关(P < 0.05)。TC: 全碳; TN: 全氮; SOC: 土壤有机碳。
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图5
根际土壤细菌(a)、真菌(b)优势菌门与土壤碳氮因子的Pearson相关性分析。颜色条刻度表示Pearson相关系数(r)值。橙色代表正相关, 绿色代表负相关; 颜色深浅表示相关性强弱; * P < 0.05。TC: 全碳; TN: 全氮; SOC: 土壤有机碳。
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图6
非根际土壤细菌(a)、真菌(b)优势菌门与土壤碳氮因子Pearson相关性分析。颜色条刻度表示Pearson相关系数(r)值。橙色代表正相关, 绿色代表负相关; 颜色深浅表示相关性强弱; * P < 0.05, ** P < 0.01。TC: 全碳; TN: 全氮; SOC: 土壤有机碳。
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表4
根际(R)与非根际(NR)土壤微生物α多样性指数与土壤C、N指标间的相关性
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