重大突破！解析盐胁迫下胡杨根际专家种与通才种的组装、网络及功能补偿机制

为探究盐胁迫对胡杨根际微生物组的影响，北京林业大学的研究人员开展了相关研究。结果发现盐度影响微生物多样性、组装及功能补偿。这一成果对理解盐碱地生态、提高植物耐盐性意义重大，强烈推荐科研读者阅读。

　　

北京林业大学（Beijing Forestry University）的研究人员在《npj Biofilms and Microbiomes》期刊上发表了题为 “Assembly, network and functional compensation of specialists and generalists in poplar rhizosphere under salt stress” 的论文。这篇论文在植物与微生物相互作用以及应对盐胁迫的生态机制研究领域意义重大，为深入理解盐碱环境下植物根际微生物群落的奥秘，以及开发提高植物耐盐性的新策略提供了关键线索 。

研究概述

在这项研究中，研究人员深入探索了盐胁迫下胡杨（Populus euphratica）根际微生物群落中专家种（specialists）和通才种（generalists）的相关特性，包括它们的多样性模式、群落组装机制、网络特征，以及在盐胁迫环境中所发挥的功能作用。研究发现，盐度增加会增强根际微生物网络的复杂性和细菌专家种的多样性，并且揭示了专家种在物种相互作用和功能补偿中具有关键作用，这一成果对于理解盐碱地生态系统中植物与微生物的关系有着重要意义。

研究背景

土壤盐渍化（Soil salinization）是一个全球性的问题，严重阻碍了植物的生长和农作物的产量。根际微生物组（rhizosphere microbiome）被视为植物的 “第二基因组”，在帮助植物耐受盐胁迫方面起着至关重要的作用。许多研究表明，面对高盐环境时，植物能够吸引特定的有益土壤细菌到根际，促进自身生长。胡杨作为一种能够在盐碱环境中茁壮成长的植物，其独特的土壤微生物组可能是其抗逆性的重要基础。然而，目前针对胡杨与其根际微生物之间相互作用的研究还相对较少。

传统上，微生物通常被分为优势类群或稀有类群，但这种分类方式忽略了它们的生态位（ecological niche）。根据生态位宽度，物种可被划分为专家种、通才种或中性类群。这一分类视角为微生物分类提供了新的思路。已有研究指出，微生物通才种向专家种进化的能力较强，但背后的进化原因尚不清楚。并且，关于专家种和通才种的组装机制和网络特征的研究也十分匮乏，尤其是在盐胁迫下的根际环境中，这凸显了深入研究的必要性，对于揭示它们存在的适应性动态和进化原因至关重要。

此外，植物可以通过改变根际微生物组的组成来更好地适应各种土壤条件。有证据表明，在压力和营养有限的环境中，植物会招募有益微生物来促进生长。在不同土壤环境下，根际功能存在差异，可能发生功能补偿（functional compensation）现象，但这种现象是否普遍存在，特别是微生物通才种和专家种在其中的作用，仍有待探索。

研究方法

1. 样本采集：研究人员于 2021 年 9 月，在中国新疆维吾尔自治区尉犁县塔里木河流域（41°00–41°20N, 86°00–86°20E），采用五点采样法，从胡杨树上采集了 251 份根际土壤样本。采集时，从距离树干 0.5 米处获取直径≤2 毫米的细根，将细根上附着的土壤定义为根际土壤，通过震荡和离心的方式将其与细根分离。
2. 土壤理化测量：依据中国生态环境部的环境监测方法标准，对胡杨根际土壤的 pH 值、速效钾（AK）、速效磷（AP）、盐度和有机质（OM）进行测定。
3. DNA 提取和测序：使用土壤 DNA 提取试剂盒（E Z.N.A Instructions for the Soil DNA Kit，Omega BioTek, Norcross, GA, USA）提取根际样本中的总微生物 DNA。利用特定引物分别对根际细菌群落（V4 - V5 区域，引物 515 F 和 907R ）和根际真菌群落（ITS1 - ITS2 区域，引物 ITS1F 和 ITS2R）进行 PCR 扩增，随后在 Illumina MiSeq 平台上进行测序，并对原始数据进行处理和分析，获取基于扩增子序列变异（ASV，Amplicon Sequence Variants ）的微生物群落组成信息。
4. 群落结构和多样性分析：在 R 环境中，运用 vegan 包评估细菌和真菌的 α 多样性指数；通过基于 Bray - Curtis 相异度的主坐标分析（PCoA，Principal Coordinates Analysis ）探究群落结构模式；使用 Pearson 相关检验推断变量之间的统计关联，利用 ANOVA 分析组间的统计差异。
5. 分析栖息地专家种和通才种：运用 Levin’s 生态位宽度指数，借助 R 中的 EcolUtils 包，计算微生物的生态位宽度，以此确定胡杨根际微生物的栖息地专业化程度。通过 1000 次置换评估每个专家种指数的统计显著性，根据栖息地专业化值与 95% 置信区间的关系，将微生物标记为专家种或通才种。
6. 量化群落组装：采用基于零模型（Null model）的 β 多样性指标（NTI 和 ）评估不同的群落组装过程。计算 βNTI 和 值，以此判断确定性过程和随机过程对群落组装的相对影响。同时，运用中性模型（neutral model）进一步评估群落组装机制。
7. 系统发育距离、环境广度和系统发育信号分析：使用 R 中的 “TITAN2” 包进行阈值指示分类单元分析（TITAN，Threshold Indicator Taxa Analysis ），确定栖息地专家种和通才种对每个环境变量的阈值，从而界定群落的生态位最适范围。
8. 共现网络构建：基于 ASV 数据，利用 Spearman 相关性系数（ ）大于 0.6 且相应 值小于 0.01 的标准，筛选显著相关性。通过 Hmisc 包中的 “rcorr” 函数进行成对比较，运用 igraph 包构建共现网络，并借助 Gephi（0.9.2）平台进行可视化。使用 Gephi 软件计算节点层面的拓扑特征，如度（degree）、中介中心性（betweenness）、接近中心性（closeness）和特征向量中心性（eigenvector centrality） ，并通过 Wilcoxon 检验分析这些特征的统计差异。此外，使用 R 计算综合影响值（IVI，Integrated Value of Influence ）评估节点重要性。
9. 功能预测和补偿效应：通过 16S rRNA 基因的高通量 DNA 测序测定根际细菌群落的组成，利用 PICRUSt2 软件预测根际功能特征。根据 ASV 在共现网络中的相关性程度，将其组织成功能簇，分别预测每个簇的 “分段预测功能” 和 “分段理论功能”，进而分析功能补偿效应。

研究结果

1. 细菌专家种的多样性与盐度呈正相关：研究人员从胡杨根际土壤样本中分析得到 5524 个细菌 ASV 和 1298 个真菌 ASV。细菌中，1979 种（35.8%）被归类为专家种，901 种（16.3%）为通才种；真菌中，847 种（65.8%）是专家种，31 种（2.4%）为通才种。在门水平上，细菌专家种主要由厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinomycetes）主导，通才种则以变形菌门、放线菌门和拟杆菌门（Bacteroidota）为主；真菌专家种主要由粪壳菌纲（Sordariomycetes）和座囊菌纲（Dothideomycetes）组成，通才种主要来自银耳纲（Tremellomycetes）、粪壳菌纲、座囊菌纲和散囊菌纲（Eurotiomycetes）。细菌通才种的 α 多样性高于专家种，但细菌专家种的 α 多样性与盐度呈显著正相关，通才种则呈负相关；真菌中仅通才种与盐度呈负相关。随着盐度增加，细菌专家种中某些属（如 Planococcus、Planomicrobium ）的丰度上升，且专家种的群落结构在不同盐度下变化显著，而通才种变化不明显。
2. 细菌专家种和通才种的组装机制和环境适应性：通过整合中性模型和零模型，发现随机过程在专家种和通才种的组装中占主导地位，但专家种受确定性组装的控制更强。在高盐胁迫和极低盐条件下，细菌专家种和通才种的组装确定性更高（主要是均匀选择，homogeneous selection） ，而异质选择（heterogeneous selection）在这些情况下作用相反。真菌专家种的组装受盐度影响较小，真菌通才种主要受未主导过程（undominated processes）控制，高盐条件下该过程比例降低。扩散限制（dispersal limitation）对专家种的影响大于通才种，且细菌专家种的扩散限制与盐度上升显著相关，真菌专家种则相反。此外，除 AP 外，专家种对 AK、OM、pH 和盐度的环境阈值比通才种更宽。
3. 盐胁迫下关键微生物与网络复杂性呈正相关：构建不同盐度梯度下的细菌共现网络发现，随着盐度增加至 20 g/kg，网络的节点和链接数量、度和加权度均增加，网络复杂性上升，且网络复杂性与盐度显著正相关。网络中鉴定出 31 个模块枢纽（module hubs）和 1 个连接器（connector） ，关键物种（keystone species）主要由细菌专家种和中性类群组成，与接近中心性呈强正相关，且关键微生物（key microbes）与网络复杂性和盐度也显著正相关。在网络拓扑特征方面，专家种在度、加权度、接近度、调和接近度、聚类系数和特征向量中心性等指标上的值均高于通才种。网络中主要的微生物门类包括变形菌门、放线菌门、绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门、酸杆菌门（Acidobacteriota）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）和子囊菌门（Ascomycota）等，大多数模块主要由专家种和中性类群组成，凸显了细菌专家种和中性类群在网络中的重要地位。
4. 盐胁迫触发胡杨根际的功能补偿：对不同盐度梯度下根际细菌群落的功能分析表明，在一定盐度范围内，低盐条件下微生物的某些代谢功能受抑制，高盐条件下则增强，如 “抗坏血酸和醛糖酸代谢”“花生四烯酸代谢”“泛醌和其他萜类醌生物合成”“萜类骨架生物合成” 等功能在高盐时更为关键。50% 功能富集的优势 ASV 是专家种，20% 是通才种。在细菌群落中，专家种在与抗坏血酸、花生四烯酸、萜类、碳、氮和甲烷等相关的代谢功能上表现更出色，通才种在膦酸盐和膦酸酯代谢等途径中作用更显著。

研究结论与讨论

研究表明，胡杨根际微生物组在盐胁迫下存在功能补偿现象，专家种在其中发挥了重要作用。土壤盐度与根际细菌专家种的 α 多样性呈正相关，细菌对盐度变化的反应比真菌更强烈，专家种对盐胁迫的积极响应使其多样性增加。虽然真菌群落结构发生变化，但多样性无明显增加。在相对稳定的胡杨根际环境中，专家种对群落多样性和功能的贡献更大。

专家种的组装过程更具确定性，高盐环境会增强细菌专家种的扩散限制，说明盐度可作为影响微生物扩散过程的确定性因素。同时，专家种的环境阈值更宽，尽管其生态位较窄，但在特定栖息地能更好地适应环境变化，相比通才种具有更强的竞争力。

在根际微生物共现网络中，专家种占据核心地位，与中性类群联系紧密，在大多数模块中占主导，而关键物种主要由细菌专家种和中性类群组成，凸显了细菌专家种在网络中的重要性。

盐胁迫会改变根际微生物的代谢和生态功能，高盐环境中，与增强植物耐逆性相关的代谢途径变得更加重要，如抗坏血酸、花生四烯酸等参与的代谢过程。这些发现揭示了细菌专家种在支持植物在盐渍条件下的抗性和健康方面具有多方面的作用。

总的来说，该研究阐明了盐度对根际专家种和通才种细菌形成和功能的显著影响，证实了胡杨根际微生物组在盐胁迫下的功能补偿机制，强调了细菌专家种在这一过程中的关键作用。这不仅推动了对盐渍环境中微生物生态学的理解，还为利用微生物适应盐胁迫的特性，开发提高作物耐盐性的策略提供了新的方向。未来，研究人员计划进一步鉴定和研究专家种中的耐盐菌株，探索其功能和构建合成微生物群落（SynCom）的潜力，有望为农业生产中应对盐胁迫提供创新方法，为干旱和盐碱地区可持续农业发展奠定基础。