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为探究根际微生物群落对大豆生长和产量的影响，研究人员开展了多地点大豆根际微生物群落研究。通过高通量宏基因组测序，发现微生物多样性和群落组成存在显著差异，关键微生物可促进养分循环和提高产量，为农业实践提供了理论依据。
在植物的生长过程中，根际微生物群落就像植物的 “隐形卫士”，对植物的生长和健康起着至关重要的作用。它们参与植物的养分吸收、抵抗病虫害等多个过程，就如同为植物打造了一个专属的 “小宇宙”。然而，尽管科学家们对根际微生物组展开了诸多研究，但对于大规模农业梯度下多界微生物的变化情况，了解还十分有限。尤其是大豆，作为全球广泛种植的重要豆类作物，其根际微生物群落的奥秘还有待进一步挖掘。为了揭开这些奥秘，来自黑龙江省农业科学院大豆研究所等国内多家研究机构的研究人员，踏上了探索大豆根际微生物群落的征程，相关研究成果发表在《Microbiome》上。
研究人员为了深入了解大豆根际微生物群落，采用了多种关键技术方法。他们精心挑选了中国 13 个具有代表性的大豆种植区域，涵盖不同气候和地理条件。在每个区域种植当地主要大豆品种，并设置多个重复样地。随后，采集大豆根际土壤样本，运用高通量鸟枪法宏基因组测序技术，对样本进行深度测序。同时，借助生物信息学和统计学分析手段，对测序数据进行系统分析，从而全面探究微生物群落的特征。
下面来看具体的研究结果：
- 地理分布与优势微生物群落：研究人员在 13 个不同地点采集样本，发现微生物群落组成在不同地点差异显著。例如，细菌在江西南昌（JX）站点占比最高，而病毒在所有地点占比相对较低。同时，大豆的各项农艺性状，如株高、每株荚数、每株粒数等，在不同地点也呈现出明显差异。通过主成分分析（PCA）发现，不同地点的大豆性状呈现出明显的聚类模式，且各性状之间存在显著相关性，如株高与每株种子重量（SWP）、百粒重（HSW）等呈正相关。
- 根际土壤微生物的动态变化：宏基因组分析共鉴定出 43,337 个物种，包括细菌、古菌、真菌和病毒。通过计算 α 多样性指数（如 Shannon、Simpson、Chao1 和 observed 指数）发现，不同地点的微生物多样性存在显著差异，部分地点在多个微生物界中都表现出较高或较低的多样性。β 多样性分析（基于 Bray-Curtis 距离的主坐标分析 PCoA）则显示，不同地点的微生物群落结构存在明显差异，不同微生物界在 PCoA 图上呈现出不同的聚类模式。
- 根际微生物群与大豆表型的关联分析：通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究人员发现有四个模块（绿色、浅黄色、红色和钢蓝色）与大豆的表型性状（如株高 PH、每株荚数 NPP、每株粒数 NSP、每株种子重量 SWP、百粒重 HSW 和种子产量 SY）显著相关。进一步分析确定了 556 个与关键植物指标显著相关的核心微生物操作分类单元（mOTUs），其中细菌占主导地位，这些核心微生物可能作为土壤肥力的生物指标。
- 影响大豆表型的核心微生物的分布与重要性：核心 mOTUs 在不同地点的分布存在显著差异，如牡丹江（MDJ）和河北石家庄（HB）等地的核心 mOTUs 数量较多。随机森林分析表明，不同地点存在一些关键的微生物预测因子，且微生物多样性与大豆的某些表型性状存在相关性，如与种子产量呈正相关。
- 根际微生物群模块中的共发生网络和物种组成：构建共发生网络发现，不同模块的微生物相互作用强度和网络度存在差异。模块 M0、M1 和 M3 包含来自四个微生物界的成员，而模块 M2 缺乏古菌。聚类热图分析显示了不同模块中核心 mOTUs 在不同地点的分布情况，进一步揭示了微生物群落的特征。
- 根际核心微生物在 CNPS 循环中的代谢网络分析：通过与功能基因注释数据库比对，研究人员发现了 151 个与碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）循环相关的关键直系同源基因（KOs）。特定的 mOTUs 与这些 KOs 存在显著相关性，表明核心微生物在 CNPS 循环中发挥着重要作用，促进了养分的循环和利用。
研究结论表明，该研究全面揭示了大豆根际微生物群落的多样性和功能潜力。不同地点的环境因素显著影响微生物群落的多样性和组成，而这些微生物又与大豆的生长和产量密切相关。根际微生物在养分循环中扮演着关键角色，为优化农业实践、提高大豆产量提供了重要的理论依据。然而，研究也存在一定的局限性，例如宏基因组方法可能无法完全反映田间条件下功能基因的表达情况。未来的研究可以朝着评估有益细菌作为生物接种剂的效果、探究农业方法对微生物网络的影响以及深入研究核心微生物与植物的分子相互作用等方向展开。这一研究成果为农业领域利用微生物资源提升大豆生产力开辟了新的道路，有助于推动可持续农业的发展。
