土著核心微生物群落在支持植物生长方面更具优势

土著核心微生物群落在支持植物生长方面更具优势

土著核心微生物群落在满足粮食需求和农业发展方面提供了独特的机遇。然而在开发有利于植物健康生长的合成菌群（SynComs）时，这些微生物常被忽视。本研究探究了土著核心微生物群落、土著非核心微生物群落以及非土著微生物群落对植物生长的影响。以良好的促生能力和非拮抗相互作用为原则，构建了四种可替代自然根际群落的SynCom。其中一种SynCom (SC2)具有较高的生态位宽度和较低的平均变异度。SC2的促进植物生长作用可以转移到非无菌环境中，主要是因为其土著核心微生物的定殖能力和促生功能的发挥，包括固氮作用，IAA产生和溶磷等。SC2和复合载体(油菜籽饼肥和稻壳碳)形成的微生物肥料可使植物净生物量提高129%。本研究的结果强调了土著核心微生物对提高作物产量的重要性。

从土壤到根面的细菌多样性和群落组装

为探究四种土壤类型微生物群落组装过程中的变化，本研究分析了来自三个根相关生态位（土体土，根际，根面）的16S测序数据（图1a）。其中Shannon和Chao1指数从土壤到根面呈持续下降趋势，根面显著下降37 ~ 76% (P<0.001，图2a)。尽管不同土壤中含有不同的微生物群落，但它们在根际的α-多样性没有差异，这表明植物根际在不同类型土壤中均可通过招募作用获得一组较好的根际微生物群落。NMDS结果显示，所有样品主要沿着NMDS的第一轴分化，表明生态位对所有样品的微生物群落都有强烈的影响（图2b）。此外，土壤类型的影响从土体土到根面逐渐减小。这些结果表明，尽管受到不同土壤类型的影响，烟草根面上对细菌类群的特异性招募却是稳定的。随后，本研究测试了不同土壤类型下植物根面的ASV富集程度。差异分析结果显示，9.6-20.1%的ASV被显著富集(P<0.05，图2c)。

图1本研究的实验流程概述。
a本研究的抽样分析策略。b潜在核心微生物资源库的构建。c候选菌株的促生长特性和相互作用。d基于体内和体外相互作用的SynComs筛选及复合肥料的构建。

图2从土壤到根面的细菌多样性和群落组装。
a土壤至根面细菌群落Shannon和chao1指数。b基于细菌群落的Bray-Curtis距离矩阵的NMDS分析。c与土体土相比，各土壤根际上含量显著增加的ASV。d 4种土壤根面ASV显著富集的维恩图。e至少3种土壤中富集ASV的系统发育树。

植物根面核心ASV的获取

为了进一步表征植物招募对细菌微生物组的影响，本研究评估了从土壤到根面细菌群落的共生模式（图1a）。为了排除低丰度微生物的影响，保留了所有土壤类型中存在的相对丰度总和>0.01%的ASV。最终，选择了所有土壤类型共有的1103个ASV。这些类群占总根面ASV数量的18.0%，占总相对丰度的64.6%。在从土体土到根面的连续土壤中，网络复杂性显著降低。土体土和根际的分类网络相似，大多数节点为放线菌门(29.8-34.2%)和变形菌门(29.1-35.7%)。然而，根面分类网络主要由变形菌门(64.4%)和厚壁菌门(25.6%)组成。与土体土相比，93.3%的ASV (180个ASV中的168个)在根际显著富集。利用枯竭指数(DI)和差异指数(DSI)评价了土壤、根际到根面对分类群的过滤和选择。从土体土到根际，DI值逐渐降低，表明根面有选择地从土体土和根际招募细菌类群。总之，研究结果表明，尽管土壤类型不同，植物根面却含有相似的细菌，这些细菌可能对植物生长具有重要功能。结合网络分析和差异分析结果，96个共有核心ASV富集于烟草根际（图3a）。为了获得这些ASV，本研究首先从植物根际分离纯化了101株ASV。这些细菌属于芽孢杆菌、假单胞菌、微杆菌、双杆菌和黄杆菌属（图3b）。为了确定核心ASV与分离株的一致性，将两者的序列进行相似度比较。基于99%的序列相似度，共获得44个核心ASV。这些匹配的ASV属于芽孢杆菌和假单胞菌，并在根际显著富集（图3b）。考虑到候选菌株的分类多样性，我们选择了不同物种的22株匹配分离株(土著核心微生物)和6株不匹配分离株(土著非核心微生物) （图3b）。此外，还包含实验室培养的从促生长菌株资源库中获得的YC14和YC20 (非土著微生物)。共筛选出菌株30株，隶属于18属30种。

图3烟草根际核心ASV的获取。
a根面富集ASV的Venn差异及网络分析。b由分离菌株构建的系统发育树。热图展示了从土壤到根面，核心ASV与分离菌株的相对丰度(序列相似性>99%)。

候选菌株对植物的促生长作用

对定殖于烟草根际的微生物进行筛选后，共收集30株不同种类的菌株，研究其对烟草的促生长潜力（图1c）。与未接种植株相比，有10个菌株对烟草有促进生长的作用，但其余菌株对烟草的茎和根生长没有显著的促进作用。有趣的是，除YC14和YC20外，所有促生菌株都与核心ASV匹配。接种YC2、YC4、YC5、YC8、YC10、YC12、YC15、YC19和YC20后，烟草净生物量显著提高8-46% (P<0.01，图4a)。其中，接种YC2和YC8后，茎部和根干重分别显著提高41%和70%。此外，10株菌株对烟草总鲜重的生长也有显著的促进作用。因此，我们选择了10株对烟草生长有显著促进作用的YC2、YC4、YCS、YC8、YC10、YC12、YC14、YC15、YC19和YC20，研究了它们的促生特性和定殖能力。单株菌根面定殖实验表明，所有促生菌均能在无菌苗的根面上定殖，且接种3周后定殖率开始趋于稳定。其中，烟草根面土著核心微生物YC15和YC8的数量增加了10-15倍，显著高于其他菌株。接种1个月后，烟草根际上的土著非核心和非土著微生物数量增加了不到5倍。随后，我们研究了10株菌株的IAA生产能力、固氮能力、溶磷能力和铁载体生产能力（图4a）。结果表明，7株菌株产生的IAA含量在4.08 ~ 24.6 mg/L之间，其中YC10产生的IAA含量最高，YC8次之。6株菌株在无氮培养基中生长，但只有YC5的固氮能力较强。此外，YC5、YC8、YC10和YC15具有溶磷和产铁载体的能力（图4a）。

SynComs的构建与体内相互作用动力学

为了最大限度地发挥促生长细菌的有益效果，并排除一种菌株的代谢物对其他菌株生长的抑制作用，本研究基于两两相互作用之间的非拮抗性构建了SynComs （图1c）。首先，两两相互作用实验表明，大多数菌株可以共存，并表现出正相互作用。而YC19与YC20、YC4与YC12两对菌株之间存在负相互作用。因此，在排除拮抗相互作用后，构建了四个SynCom （图4b）。其次，为了确定每个SynCom中菌株的资源互补性和生存动态变化，本研究连续5次跟踪培养基中SynCom的生存状态，共15天（图1d）。结果表明，菌株相对丰度在接种后3 d内变化较大，之后趋于稳定。与其他菌株相比，YC15、YC20和YC5的相对丰度稳定在较高水平（图4c）。而YC2、YC4、YC12和YC14的相对丰度在接种3 d内显著下降后趋于稳定。进一步分析SynComs的稳定性和生态位宽度指数发现，SC2和SC4的AVD指数显著低于SC3 (P<0.01，图4d)。生态位宽度呈相反趋势，SC2和SC4的生态位宽度指数显著高于SC1和SC3 (P<0.01，图4d)。因此，SC2的群落稳定性最高，而SC3的群落稳定性最低。接下来，对微生物相互作用进行探究，测试SynCom本身的促生长能力（图1d）。与对照和其他SynComs处理相比，接种SC2显著提高了烟草的茎高、干重和根鲜重。SC2处理植株的茎高和总干重分别为52%和83%，高于未接种植株。然而，接种SC2后，烟草的茎部和总鲜重并未显著增加。综上所述，选择显著增加烟草净生物量的SC2，研究其在非无菌环境下的稳定性。

图4促生长菌株的筛选及SynCom的构建。
a 10个菌株对烟草的促生作用及特性评价。b SynComs的构建及促生长菌对相互作用。c培养基培养15天期间SynComs的存活情况(n=3)。d测定SynComs体外稳定性和生态位宽度指数。

SC2介导的表型转移到非无菌环境

为了研究SC2相关表型是否转移到非无菌土壤条件下，以及SC2是否驱动常驻微生物群落的促生长功能，进行了45天的盆栽试验，测量了接种SC2对植物生长表型的影响（图1d）。与对照相比，接种微生物(SC2 /枯草芽孢杆菌)提高了地上和地下生物量(P< 0.01)。此外，接种SC2可使地上生物量增加76% ~ 91%，显著高于商品生物有机肥处理(P<0.01，图5)。与商品生物有机肥对植株根系的促进作用不同，接种SC2对烟草地上部生长有明显的促进作用(P<0.01，图5a)。而接种灭活的SC2对烟草的促生作用减弱。因此，重点研究了施用SC2对烟草的促生长能力。接种SC2显著提高了叶片可溶性蛋白和总氮含量(P< 0.01)，虽然对可溶性糖、还原糖和总钾含量没有影响，但对烟草根际固氮、IAA生产和溶解磷的能力显著提高，增幅约为2倍(P< 0.05，图5b)。然而，接种的SC2并没有显著提高生物酶的活性。为了解微生物接种诱导的表型转移是否与SynComs成员的定殖有关，本研究收集了根际土壤并对其进行了测序。结果表明，YC2、YC8和YC15在根际和根面样品中与特异性ASV序列相似性大于99%，相对丰度显著高于对照。可以看到，根际定殖相对丰度总和甚至大于40%，显著高于根际定殖(P< 0.001，图5c)。此外，灭活菌株后，SC2在根际的定殖率显著降低。结果表明，YC2、YC8和YC15在烟草根面上的定殖优势明显。然而，其他菌株在非无菌环境中定殖处于不利地位。此外，与其他处理相比，接种SC2还显著增加了根际中出芽菌属，慢生根瘤菌属，假单胞菌属以及未明确分类的伯克氏菌科的相对丰度(P< 0.05，图5d)。

图5非无菌环境下SynComs的效果验证及定殖分析。
a不同处理对烟草的促生长作用。b不同处理下根际微生物的促生长特性。cSC2各菌株在根际和根平面的定殖能力。d不同处理下相对丰度前20个属的热图。DW:干重; ISC2:接种灭活SC2; SC2:接种SC2; COF:含枯草芽孢杆菌的商品有机肥; CK:不添加微生物作为对照。

复合微生物肥稳定促进植物生长

在载体上接种植物有益菌，可为接种剂应用于田间后维持其活性及功能提供途径。因此，本研究测量了SC2在有机、无机和复合载体中的存活率。对于不同的载体，SC2在10d时达到稳定（图6）。有趣的是，油菜籽饼肥和稻壳碳组成的复合载体最有利于SC2的成活率，是唯一比泥炭成活率高的载体(P< 0.01)。而在油菜籽饼肥中，SC2的成活率最低。此外，除油菜籽饼肥与硅藻土组成的复合载体外，其他复合载体均比单一有机或无机载体更有利于SC2的成活(图6)。其次，通过盆栽试验，在体内测试各种微生物肥料的促生长效果。与SC2在载体中的存活状态一致，油菜籽饼肥与稻壳碳组成的复合微生物肥对烟草的促生长作用显著高于泥炭(P< 0.01)，而单独由油菜籽饼肥组成的微生物肥对烟草生长不利(P>0.05，图6)。此外，牛粪和硅藻土组成的微生物肥、油菜籽饼肥和稻壳碳极显著提高了烟草地上生物量和总生物量103 ~ 129% (P<0.01)。虽然泥炭、牛粪有机肥、牛粪有机肥与硅藻土、稻壳碳、油菜籽饼肥和稻壳碳组成的肥料显著提高了烟草地上干重和总干重，但复合载体组成的肥料促进烟草生长的效果高于单一载体(P<0.05，图6)。

图6微生物肥料的构建及效果验证。
a SC2在不同载体中的生存情况。b构建微生物肥对烟草生长的影响。

结论

集约化管理造成的土地退化和产量下降阻碍了农业生态系统的可持续发展。利用土壤微生物的有益特性被认为是可持续增加植物产量的良好方法。虽然许多非土著有益微生物在实验室条件下表现出良好的功能，但很难将其有益功能应用到自然环境中。因为，在自然环境中，它们可能在定殖过程中遇到困难并被土著微生物所取代。本研究在不同土壤类型和生态位条件下，选取烟草根际土著核心微生物和非土著核心微生物，构建合成菌群。结果发现，无论功能潜力如何，与非土著微生物相比，土著核心微生物有更多的机会在宿主根中定殖并发挥促进植物生长的潜力。这种潜力可归因于土著核心微生物有益的促生长特性、群落内和谐的共生关系和强大的定殖能力。然而，土著非核心微生物不具备促进植物生长的能力，非土著微生物由于非原生环境而失去功效。这突出了土著核心微生物的优越性，以及它们如何作为一个群落提供预期的有益结果。综上所述，在集约耕作和土地质量下降的背景下，土著核心微生物可以成为一种优化农业生态系统生产水平的选择。

论文信息

原名：Superiority of native soil core microbiomes in supporting plant growth
译名：土著核心微生物群落在支持植物生长方面具有优势**
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-50685-3
发表时间：2024年7月
通讯作者：Shuguang Peng, Xiaogang Li
通讯作者单位：中国烟草总公司湖南省分公司, 南京林业大学林木遗传育种国家重点实验室