鄭玉沖 ,張琳琦 ,劉彬彬**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

微生物與植物間存在密切且復(fù)雜的相互作用,對(duì)植物生長(zhǎng)具有重要意義[1-2]。植物根區(qū)微生物種類繁多,它們與植物共同進(jìn)化,其多樣性和功能是影響植物生長(zhǎng)和健康的重要因素[3-4]。植物根區(qū)微生物的組成和功能受多種因素影響,如土壤環(huán)境、農(nóng)田管理措施、植物基因型以及生長(zhǎng)階段等[5-6]。

植物基因型是影響根區(qū)微生物組成的重要因素。不同基因型植物可以通過(guò)根系分泌物選擇特定微生物從而影響自身生長(zhǎng)發(fā)育,如玉米(Zea mays)分泌黃酮類化合物驅(qū)動(dòng)根際富集了草酸桿菌(Oxalobacteraceae),進(jìn)而促進(jìn)玉米氮素吸收[7]。Kwak 等[8]選擇了對(duì)青枯菌(Ralstonia solanacearum)具有抗性的番茄(Solanum lycopersicum)品種以及易受青枯菌侵染的番茄品種,通過(guò)16S rRNA 基因測(cè)序發(fā)現(xiàn)兩個(gè)番茄品種的根際土壤微生物存在差異,宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)表明抗性品種根際土壤中存在更加豐富的黃桿菌(Flavobacteriaceae)基因組。有研究發(fā)現(xiàn)抗尖孢鐮刀(Fusarium oxysporum)品種的菜豆(Phaseolus vulgaris)根際土壤細(xì)菌中假單胞菌科(Pseudomonadaceae)、芽孢桿菌科(Bacillaceae)和噬纖維菌科(Cytophagaceae)等微生物的豐度高于易感品種,網(wǎng)絡(luò)分析表明,抗尖孢鐮刀菌菜豆品種的根際土壤細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)比易感品種更復(fù)雜、聯(lián)系更緊密[9]。不同氮素耐受性的蘋果(Malus domestica)砧木根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著,其中假黃單胞菌屬(Pseudoxanthomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)的相對(duì)豐度與蘋果砧木氮含量呈正相關(guān),并且在低氮耐受性的蘋果砧木根際土壤中相對(duì)豐度較高[10]。Mahoney 等[11]對(duì)9 個(gè)冬小麥(Triticum aestivum)品種的根際土壤微生物組進(jìn)行研究,結(jié)果表明有24個(gè)操作分類單元(Operational Taxonomic Unit,OTU)在小麥品種間存在顯著差異,并且與品種相關(guān)的OTUs可能對(duì)宿主植物具有有益作用。Kavamura 等[12]研究發(fā)現(xiàn)高桿小麥品種根際土壤細(xì)菌群落的放線菌門、擬桿菌門(Bacteroidota)和變形菌門的相對(duì)豐度較高,而半矮稈小麥品種的疣微菌門(Verrucomicrobia)、浮霉菌門(Planctomycetes)和酸桿菌門(Acidobacteria)的相對(duì)豐度較高。因此,植物基因型對(duì)根區(qū)微生物組成有顯著影響,深入研究作物與根區(qū)微生物之間復(fù)雜的相互作用,為促進(jìn)作物生產(chǎn)提供了新途徑。

氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所需的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素[13],對(duì)作物的生命活動(dòng)以及產(chǎn)量具有重要意義?；实氖褂脤?duì)促進(jìn)糧食生產(chǎn)至關(guān)重要,但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中為了追求作物產(chǎn)量,過(guò)量的氮輸入也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了負(fù)面影響,如土壤酸化以及溫室氣體排放等[14-15]。同時(shí),土壤氮素水平通常會(huì)驅(qū)動(dòng)土壤微生物多樣性、結(jié)構(gòu)和功能的變化[16-17]。研究表明,過(guò)量施氮顯著降低了玉米根際土壤和非根際土壤中固氮細(xì)菌群落的香農(nóng)指數(shù),此外,還降低了伯克氏菌屬(Burkholderia)的相對(duì)豐度,提高了鞘脂菌屬(Sphingobium)的相對(duì)豐度[18]。缺氮脅迫使得小麥根際土壤微生物群落的Alpha 多樣性增加,糖酵解、過(guò)氧化物代謝和磷酸肌醇代謝等過(guò)程增強(qiáng)[19]。然而,關(guān)于不同氮素水平下作物品種影響根區(qū)微生物群落的相關(guān)研究較少。因此,研究不同作物品種微生物組在不同氮素水平下的差異對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展至關(guān)重要。

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物,其生產(chǎn)對(duì)于保障國(guó)家糧食安全具有重要意義?！妻r(nóng)9204’是高產(chǎn)氮高效小麥品種,童依平等[20]分析了包括‘科農(nóng)9204’和‘京411’在內(nèi)的12 個(gè)冬小麥品種的氮素利用效率,結(jié)果發(fā)現(xiàn),‘科農(nóng)9204’在高氮和低氮條件下均具有較高的以生物量為基礎(chǔ)和以籽粒產(chǎn)量為基礎(chǔ)的氮素利用效率。Shi 等[21]從基因組水平和轉(zhuǎn)錄組水平闡述了‘科農(nóng)9204’氮素高效吸收和利用的分子機(jī)制,該研究發(fā)現(xiàn)‘科農(nóng)9204’相比‘京411’在生殖發(fā)育階段具有較高的氮素利用效率和發(fā)達(dá)的根系,并且營(yíng)養(yǎng)吸收相關(guān)基因持續(xù)高表達(dá),表明‘科農(nóng)9204’氮高效的機(jī)理是受多方面調(diào)控的結(jié)果。此外,小麥品種氮素利用效率受施氮水平影響較大[22],因此應(yīng)在不同氮素水平對(duì)小麥氮素吸收利用能力進(jìn)行綜合評(píng)估。

宿主品種和土壤氮素水平會(huì)影響根區(qū)微生物群落的組成,但小麥在不同生長(zhǎng)階段下根區(qū)微生物組的品種特異性差異以及對(duì)土壤氮素水平的響應(yīng)機(jī)制仍不明確。本研究選擇‘科農(nóng)9204’‘科農(nóng)2011’‘京411’和‘百農(nóng)207’4 個(gè)小麥品種,分別在2 個(gè)氮素水平進(jìn)行種植,于分蘗期、拔節(jié)期和灌漿期采集根際土和根樣品。采用16S rRNA 基因高通量測(cè)序技術(shù),分析不同小麥品種間根區(qū)微生物群落組成和多樣性,同時(shí)分析小麥生理指標(biāo)與根際土壤微生物的關(guān)系,以期獲得不同品種小麥根區(qū)微生物的差異,為篩選對(duì)小麥生長(zhǎng)有益的微生物提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究田間試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(37°53′N,114°41′E,海拔50 m)進(jìn)行。田間試驗(yàn)設(shè)置2 個(gè)氮素水平,高氮水平尿素施用量為300 kg(N)·hm-2,低氮水平不施肥。分別在分蘗期、拔節(jié)期和灌漿期進(jìn)行灌溉,每次灌溉水量約90 mm。氮肥條件為主區(qū),品種為副區(qū),播種方式為機(jī)械條播,每小區(qū)6 行,行長(zhǎng)8 m,高氮和低氮間過(guò)渡區(qū)為2 m,兩個(gè)施氮區(qū)各3 次重復(fù),共計(jì)24 個(gè)小區(qū)。供試小麥品種分別為: ‘科農(nóng)9204’ (KN9204,分蘗力強(qiáng)、株型緊湊、氮吸收利用效率較高)、‘科農(nóng)2011’ (KN2011,抗倒伏、耐旱)、‘京411’ (J411,抗寒性強(qiáng)、適應(yīng)性廣)和‘百農(nóng)207’ (B207,根系活力強(qiáng)、抗寒性好)。播種時(shí)間為2021 年10 月中旬,取樣時(shí)間分別為2021 年11 月底(分蘗期)、2022 年4 月初(拔節(jié)期)和2022 年5 月中旬(灌漿期)。

1.2 地上部指標(biāo)測(cè)定

在每個(gè)取樣期,每個(gè)品種選擇3 株小麥進(jìn)行地上部指標(biāo)測(cè)定。剪下小麥地上部分裝入信封,置于烘箱在105 ℃下殺青30 min,然后于65 ℃條件下將小麥植株樣品烘干至恒重,稱重記錄,計(jì)算地上部生物量(ADW)。將小麥干物質(zhì)樣品粉碎,采用硫酸-雙氧水消解-凱氏定氮法測(cè)定全氮含量(ANC)。地上部氮素吸收量(ANA)為地上部生物量和全氮含量的乘積[23]。

1.3 樣品采集

在每個(gè)取樣期,每個(gè)小區(qū)選擇5 處進(jìn)行樣品采集,每處選擇5 株小麥將根系挖出,混合為該小區(qū)的代表樣本,3 次重復(fù)。緊附在小麥根部的土壤作為根際土,首先抖落小麥根部附著的松散土壤,將小麥根部放入裝有20 mL 無(wú)菌PBS 緩沖液(8.1 mmol·L-1Na2HPO4,1.9 mmol·L-1NaH2PO4,145 mmol·L-1NaCl,pH 7.2～7.4)的50 mL 離心管中,再于搖床中180 r·min-1震蕩30 min。用無(wú)菌鑷子取出根,靜置后的沉淀為根際土壤樣品,收集于2 mL 離心管內(nèi)。將小麥根部用滅菌水沖洗3 次,置于含PBS 緩沖液的離心管中,超聲震蕩5 次,每次30 s,兩次間歇30 s,無(wú)菌水清洗后于2%次氯酸鈉中浸泡5 min,無(wú)菌水清洗3 次,再用70%的乙醇浸泡1 min。最后用無(wú)菌水清洗3 次,使用無(wú)菌濾紙吸干根表面水分,將根樣品在無(wú)菌研缽中用液氮研磨后,用作根內(nèi)生菌樣品DNA 的提取。

1.4 DNA 提取和高通量測(cè)序

所有土壤和根系樣品的DNA 均使用FastDNA Spin Kit for Soil 試劑盒(MP Biomedicals,USA)提取,具體方法參照說(shuō)明書(shū)。DNA 的濃度和純度用Nano-Drop One (ThermoFisher Scientific,USA)超微量分光光度計(jì)測(cè)定。將提取的DNA 送至上海派森諾生物科技有限公司進(jìn)行16S rRNA 基因高通量測(cè)序,PCR擴(kuò)增引物為799F (AACMGGATTAGATACCCKG)和1193R (ACGTCATCCCCACCTTCC)[24],對(duì)16S rRNA基因的V5-V7 區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增,采用測(cè)序平臺(tái)Illumina NovaSeq-PE250 測(cè)序。測(cè)序數(shù)據(jù)通過(guò)QIIME2 (Quantitative Insights Into Microbial Ecology)進(jìn)行分析[25],對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行雙端序列拼接、去除引物、去噪并生成特征表,用 Silva138 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行微生物物種注釋[26],在各分類水平上進(jìn)行分類學(xué)分析、細(xì)菌群落Alpha多樣性分析、Beta 多樣性分析、差異物種分析以及相關(guān)性分析。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用R 語(yǔ)言4.1.2 的Duncan test 方法分析不同小麥品種間地上部指標(biāo)以及細(xì)菌群落Alpha 多樣性差異的顯著性。采用R 語(yǔ)言中的vegan 包和ggplot2包基于Bray-Curtis 距離完成主坐標(biāo)分析(PCoA)。采用R 語(yǔ)言中的vegan包的Adonis 功能分析不同小麥品種對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響。采用線性判別分析(LEfSe)篩選不同品種小麥根際土壤微生物的差異物種,其中分蘗期低氮水平下的篩選標(biāo)準(zhǔn)為L(zhǎng)DA≥4且P＜0.05,其他條件下的篩選標(biāo)準(zhǔn)均為L(zhǎng)DA≥2 且P＜0.05。采用R 語(yǔ)言中stats 包的Spearman 相關(guān)性分析方法分析微生物和小麥地上部指標(biāo)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種地上部性狀分析

圖1 為不同品種小麥的地上部生物量、地上部全氮含量和地上部氮素吸收量。分蘗期高氮水平下,‘科農(nóng)9204’地上部生物量為46 g·m-2,比‘科農(nóng)2011’和‘京411’分別高44%和60% (P＜0.05)。灌漿期高氮水平下,‘科農(nóng)9204’的地上部生物量為4954 g·m-2,比‘百農(nóng)207’高108% (P＜0.05)。灌漿期低氮水平下,‘科農(nóng)9204’的地上部生物量為1633 g·m-2,比‘科農(nóng)2011’和‘京411’分別高53%和68% (P＜0.05)。

圖1 不同小麥品種地上部性狀對(duì)比分析Fig.1 Comparative analysis of aboveground part traits of different wheat cultivars

在分蘗期、拔節(jié)期和灌漿期,高氮水平下4 個(gè)小麥品種的地上部全氮含量無(wú)顯著差異。在分蘗期,低氮水平下‘科農(nóng)2011’的地上部全氮含量分別比‘科農(nóng)9204’‘京411’和‘百農(nóng)207’高18%、8%和8% (P＜0.05)。

分蘗期高氮水平下,‘科農(nóng)9204’的地上部氮素吸收量為1.62 g·m-2,比‘科農(nóng)2011’和‘京411’分別高32%和51% (P＜0.05)。拔節(jié)期高氮水平下,‘科農(nóng)9204’的地上部氮素吸收量為14 g·m-2,比‘百農(nóng)207’高40%(P＜0.05)。灌漿期高氮水平下,‘科農(nóng)9204’的地上部氮素吸收量為77 g·m-2,比‘百農(nóng)207’高119% (P＜0.05)。灌漿期低氮水平下,‘科農(nóng)9204’的地上部氮素吸收量為21 g·m-2,比‘科農(nóng)2011’‘京411’和‘百農(nóng)207’分別高132%、90%和88% (P＜0.05)。

2.2 不同小麥品種根區(qū)細(xì)菌群落分析

2.2.1 多樣性分析

在分蘗期,高氮水平下‘京411’根際土壤細(xì)菌群落的Alpha 多樣性顯著低于其他3 個(gè)品種(P＜0.05),低氮水平下顯著低于‘科農(nóng)9204’和‘科農(nóng)2011’(P＜0.05)。在拔節(jié)期,低氮水平下‘科農(nóng)9204’根際土壤細(xì)菌群落的Alpha 多樣性顯著高于‘科農(nóng)2011’和‘百農(nóng)207’ (P＜0.05)。在分蘗期,低氮水平下‘科農(nóng)9204’根內(nèi)生細(xì)菌群落的Alpha 多樣性顯著高于‘京411’和 ‘百農(nóng)207’ (P＜0.05) (表1)。

表1 不同品種小麥根際土壤和根內(nèi)生細(xì)菌群落的Alpha 多樣性Table 1 Alpha diversity of rhizosphere soil and endosphere bacterial community in different wheat cultivars

為探究小麥品種對(duì)根區(qū)細(xì)菌群落Beta 多樣性的影響,基于Bray-Curtis 距離在ASV (amplicon sequence variants)水平對(duì)不同小麥品種根區(qū)細(xì)菌群落進(jìn)行主坐標(biāo)分析和Adonis 分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),拔節(jié)期高氮水平下,小麥品種對(duì)根際土壤群落組成無(wú)顯著影響,在其他條件下,小麥品種間根際土壤細(xì)菌群落組成差異顯著(P＜0.05) (圖2)。拔節(jié)期低氮水平下,小麥品種對(duì)根內(nèi)生細(xì)菌群落組成無(wú)顯著影響,在其他條件下,小麥品種間根內(nèi)生細(xì)菌群落組成差異顯著(P＜0.05)(圖3)。

圖2 不同施氮水平下不同小麥品種根際土壤細(xì)菌群落的主坐標(biāo)分析(PCoA)Fig.2 Principal coordinate analysis (PCoA) of rhizosphere soil bacterial communities of different wheat cultivars at different nitrogen levels

圖3 不同施氮水平下不同小麥品種根內(nèi)生細(xì)菌群落的主坐標(biāo)分析(PCoA)Fig.3 Principal coordinate analysis (PCoA) of root endosphere bacterial communities of different wheat cultivars at different nitrogen levels

2.2.2 物種組成分析

不同小麥品種根際土壤細(xì)菌群落門水平的組成如圖4a。變形菌門和放線菌門是小麥根際土壤細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)菌門。分蘗期時(shí),小麥根際土壤中的變形菌門相對(duì)豐度顯著高于拔節(jié)期和灌漿期(P＜0.05)。在分蘗期,低氮水平下‘科農(nóng)9204’和‘科農(nóng)2011’根際土壤變形菌門的相對(duì)豐度顯著低于‘京411’和‘百農(nóng)207’ (P＜0.05)。放線菌門和變形菌門是小麥根內(nèi)生細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)菌門(圖4b)。高氮水平下,拔節(jié)期時(shí)小麥根內(nèi)擬桿菌門相對(duì)豐度顯著高于分蘗期和灌漿期(P＜0.05),拔節(jié)期和灌漿期時(shí)小麥根內(nèi)綠彎菌門(Chloroflexi)的相對(duì)豐度顯著高于分蘗期(P＜0.05)。在分蘗期,高氮水平下‘科農(nóng)2011’根內(nèi)放線菌門的相對(duì)豐度顯著低于‘科農(nóng)9204’‘京411’和‘百農(nóng)207’(P＜0.05),低氮水平下‘京411’和‘百農(nóng)207’根內(nèi)變形菌門的相對(duì)豐度顯著低于‘科農(nóng)9204’和‘科農(nóng)2011’(P＜0.05)。

圖4 不同施氮水平下不同小麥品種根際土壤細(xì)菌(a)和根內(nèi)生細(xì)菌(b)群落門水平相對(duì)豐度Fig.4 Relative abundance of rhizosphere soil (a) and root endosphere (b) bacterial community at the phylum level of different wheat cultivars at different nitrogen levels

2.2.3 根際土壤微生物差異分析

通過(guò)LEfSe 分析篩選不同小麥品種根際土壤微生物群落中的差異物種。在分蘗期高氮水下,相比其他3 個(gè)品種,‘科農(nóng)9204’的根際土壤細(xì)菌群落中顯著富集的菌群包括寡養(yǎng)單胞菌屬(Stenotrophomonas)、生絲微菌科(Hyphomicrobiaceae)、福格斯氏菌屬(Vogesella)、色桿菌科(Chromobacteriaceae)、代爾夫特菌屬(Delftia)和Ferrovibrio(圖5a)。在分蘗期,低氮水平下(因差異物種較多,圖中僅展示LDA≥4 的微生物),‘科農(nóng)9204’ 的根際土壤細(xì)菌群落中顯著富集的菌群為Alpha 變形菌綱(Alphaproteobacteria)(圖5b)。

圖5 不同施氮水平下分蘗期不同小麥品種根際土壤微生物差異分析Fig.5 Analysis on the difference in rhizosphere soil microorganisms among different wheat cultivars at tillering stage at different nitrogen levels

在拔節(jié)期高氮水平下,微桿菌科(Microbacteriaceae)對(duì)4 個(gè)品種根際土壤細(xì)菌群落組間差異影響最大,并且在‘科農(nóng)9204’ 根際土壤細(xì)菌群落中顯著富集。此外,‘科農(nóng)9204’ 的根際土壤細(xì)菌群落還顯著富集四折疊球菌屬(Quadrisphaera)、動(dòng)孢菌目(Kineosporiales)、動(dòng)孢囊菌科(Kineosporiaceae)和Rubellimicrobium(圖6a)。在拔節(jié)期低氮水平下,對(duì)4 個(gè)品種根際土壤細(xì)菌群落組間影響最大的差異物種為Alpha 變形菌綱,并且在‘科農(nóng)9204’ 的根際土壤細(xì)菌群落中顯著富集。此外,根瘤菌目、根瘤菌科(Rhizobiaceae)、黃色桿菌科(Xanthobacteraceae)和芽單胞菌屬也在‘科農(nóng)9204’中顯著富集(圖6b)。

圖6 不同施氮水平下拔節(jié)期不同品種小麥根際土壤微生物差異分析Fig.6 Analysis on the difference in rhizosphere soil microorganisms among different wheat cultivars at jointing stage at different nitrogen levels

在灌漿期高氮水平下,‘科農(nóng)9204’ 根際土壤細(xì)菌群落中的弗蘭克氏菌目和全噬菌綱(Holophagae)顯著高于其他3 個(gè)品種(圖7a)。在灌漿期低氮水平下,‘科農(nóng)9204’ 的根際土壤細(xì)菌群落中顯著富集的菌群包括黃色桿菌科和鏈孢囊菌屬(Streptosporangium) (圖7b)。

圖7 不同施氮水平下灌漿期不同品種小麥根際土壤微生物差異分析Fig.7 Analysis on the difference in rhizosphere soil microorganisms among different wheat cultivars at filling stage at different nitrogen levels

2.3 小麥地上部性狀和根際土壤微生物相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)小麥根際土壤細(xì)菌群落中相對(duì)豐度前20的菌屬和地上部相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明,根際土壤細(xì)菌群落與地上部性狀存在顯著相關(guān)性。節(jié)桿菌屬、德沃斯氏菌屬(Devosia)、土壤紅桿菌屬(Solirubrobacter)、紅色桿菌屬、鏈霉菌屬、原小單孢菌屬(Promicromonospora)、壤霉菌屬(Agromyces)、葉桿菌屬(Phyllobacterium)、Gaiella、類諾卡氏菌屬和鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)的相對(duì)豐度與小麥地上部氮素吸收量和地上部生物量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),而馬賽菌屬、砂單胞菌屬、假單胞菌屬和黃桿菌屬與全氮含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)(圖8)。

圖8 小麥根際土壤微生物與地上部性狀的相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis between rhizosphere soil microorganisms and traits of wheat aboveground part

3 討論與結(jié)論

植物微生物組主要包括根際、葉際和內(nèi)生微生物,對(duì)于植物的養(yǎng)分吸收、生長(zhǎng)發(fā)育以及抵御生物和非生物脅迫至關(guān)重要[3,8,27-29]。影響植物微生物組成的因素包括人為干擾因素(如耕作)[30]、土壤因素(如理化性質(zhì))[31]以及宿主基因型[32]等。Zhang 等[33]研究發(fā)現(xiàn)水稻(Oryza sativa)亞種間根系微生物群落的Alpha 多樣性存在顯著差異,其中氮利用效率較高的秈稻品種多樣性要顯著高于粳稻,說(shuō)明秈稻的根系相比粳稻招募了更多種類的微生物,并且含有更多氮代謝相關(guān)的菌屬。在本研究中,灌漿期低氮水平下,‘科農(nóng)9204’的地上部氮素吸收量顯著高于其他3 個(gè)品種。不同小麥品種影響了根區(qū)微生物群落多樣性。低氮水平下,‘科農(nóng)9204’的根際土壤細(xì)菌多樣性在分蘗期顯著高于‘京411’,在拔節(jié)期顯著高于‘科農(nóng)2011’,在分蘗期和拔節(jié)期均顯著高于‘百農(nóng)207’。此外,‘科農(nóng)9204’的根內(nèi)細(xì)菌群落多樣性在分蘗期低氮水平下顯著高于‘京411’和‘百農(nóng)207’。較高的微生物多樣性可能意味著生態(tài)過(guò)程的多樣性,這對(duì)于土壤健康以及植物生產(chǎn)力至關(guān)重要[34]。研究發(fā)現(xiàn),根區(qū)微生物群落的組成會(huì)受植物基因型影響[35],這與本研究結(jié)果一致。小麥品種影響了根際土壤細(xì)菌群落組成,這可能是因?yàn)椴煌贩N小麥根系分泌物的組成和數(shù)量不同,而植物可以通過(guò)改變根系分泌物驅(qū)動(dòng)根際過(guò)程以適應(yīng)環(huán)境[36-37]。

通過(guò)對(duì)4 個(gè)小麥品種根際土壤微生物進(jìn)行差異分析,發(fā)現(xiàn)在‘科農(nóng)9204’的根際土壤中顯著富集了根瘤菌目、弗蘭克氏菌目和芽單胞菌屬等微生物物種。其中根瘤菌目中包含固氮細(xì)菌,如根瘤菌屬和慢生根瘤菌屬[42]。弗蘭克氏菌作為植物根際促生菌可與非豆科植物共生并實(shí)現(xiàn)生物固氮,研究表明,弗蘭克氏菌提高了植株生物量、總氮含量和葉綠素含量,顯著促進(jìn)植物生長(zhǎng),并增強(qiáng)了植物對(duì)非生物脅迫的抵抗力[43-44]。芽單胞菌屬是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的主要群體之一,與土壤微生物群落的穩(wěn)定性相關(guān)[45]。本研究發(fā)現(xiàn)‘科農(nóng)9204’的根際土壤中顯著富集的微生物包含Alpha 變形菌綱,該綱中的微生物具有重要生物學(xué)作用,包括固氮、氨氧化和光合作用等[46]。根際土壤微生物伴隨植物的整個(gè)生育周期,和植物性狀聯(lián)系十分密切,其多樣性和功能在作物生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[47]。相關(guān)性分析表明節(jié)桿菌屬、紅色桿菌屬、鏈霉菌屬和類諾卡氏菌屬與氮素吸收量和地上部生物量呈顯著正相關(guān)。其中節(jié)桿菌屬是重要的植物根際促生菌[48],鏈霉菌屬、紅色桿菌屬和類諾卡氏菌屬豐度的增加可能影響根際土壤的氮代謝過(guò)程[49]。

本研究揭示了不同品種小麥根區(qū)微生物群落組成差異以及與小麥氮素吸收量相關(guān)的微生物物種類群。這些結(jié)果為利用微生物區(qū)系組成調(diào)控作物生產(chǎn)和養(yǎng)分利用提供了依據(jù)。植物基因型會(huì)影響植物微生物群落的組成,但宿主基因如何驅(qū)動(dòng)特征微生物裝配并發(fā)揮功能仍需要進(jìn)一步探索,后續(xù)研究可將宿主遺傳學(xué)和微生物組聯(lián)系起來(lái),如利用全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)研究植物與微生物組的互作機(jī)制。此外,后續(xù)可以進(jìn)一步通過(guò)宏基因組學(xué)測(cè)序?qū)Σ煌贩N小麥根區(qū)微生物群落的功能進(jìn)行探究。