科研| 暨南大学(IF:14): 玉米根系生态位决定了细菌群落组装和功能对环境污染物响应的变化(国人佳作)

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导读  

植物根系相关的微生物可能受到污染等环境胁迫的影响。然而，有机污染如何影响不同根系相关生态位的微生物群落以及植物与微生物相互作用仍不清楚。我们分析了邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）胁迫下的玉米根系相关的细菌群落。结果表明，4个根系相关的生态位的细菌群落结构和功能存在显著差异，细菌多样性沿非根际土壤—根际—根表—根内生层的顺序呈逐渐下降的趋势。DEHP胁迫显著降低了根际和根表的细菌群落多样性，并改变了它们的组成、富集和消耗过程。DEHP胁迫使一些特定的细菌类群富集，如邻苯二甲酸盐降解细菌（如Rhizobium和Agromyces）和与邻苯二甲酸盐降解相关的功能基因（如 pht3和pcaG）。值得注意的是，与根际相比，根表富集了抗逆细菌和比根际更复杂的微生物网络，使根表细菌群落对DEHP胁迫更敏感。DEHP胁迫还会干扰根表相关细菌的定殖和生物膜的形成。根表细菌群落与玉米生长显著相关，但受DEHP胁迫的负面影响。DEHP胁迫对植物—微生物的相互作用产生了负面影响并抑制玉米植株生长。本研究为根系相关细菌群落对有机污染的响应提供了深入且全面的理解。

图文摘要

论文ID

原名：Maize root-associated niches determine the response variation in bacterial community assembly and function to phthalate pollution

译名：玉米根系相关生态位决定了细菌群落组装和功能对邻苯二甲酸盐污染响应的变化

期刊：Journal of Hazardous Materials

IF：14.224

发表时间：2022.1

通讯作者：蔡全英，李慧

通讯作者单位：暨南大学生命科学与技术学院

DOI号：10.1016/j.jhazmat.2022.128280

试验设计

结果

1 邻苯二甲酸盐胁迫降低了玉米生物量 DEHP胁迫处理50d后玉米地上部生物量显著降低。高DEHP胁迫（100 mg/kg）下的玉米地上部生物量（35.5±1.55 g/pot，鲜重）显著低于非DEHP胁迫（41.4±3.80 g/pot，鲜重）（ p <0.05，附图S1)。不同处理后的非根际土壤和根际土壤中DEHP的残留浓度随着处理时间的延长而降低（附图S2）。50d时，非根际土壤中DEHP的平均残留浓度（低DEHP处理和高DEHP处理的残留量分别为2.57和25.2 mg/kg）与根际土壤中的DEHP平均残留浓度（低DEHP处理和高DEHP处理的残留量分别为2.64和25.7 mg/kg，低（20 mg/kg）DEHP和高DEHP（100 mg/kg）处理的平均耗散比分别约为85%和73%）。 2 邻苯二甲酸盐污染改变了与根系相关的细菌群落 与根系相关的生态位（包括非根际土壤、根际、根表和根内生层）的细菌群落的α多样性有显著差异（ p <0.01，附表S2，图1a，b）。在25d和50d，根表细菌群落的α多样性显著低于根际（ p <0.01，图1a，b）。NMDS和 ANOSIM 分析也证明了非根际土壤、根际、根表和根内生层之间细菌群落具有显著差异（R=0.86， p =0.001，图1c）。这些结果表明，与根系相关的细菌群落的变化主要受根系相关的生态位的影响。 此外，DEHP污染显著影响了根际和根表细菌群落的α多样性，50d时Chao1指数显著低于对照（不含DEHP）（ p <0.05，图1a，b）。50d时高DEHP处理的根际细菌群落的shannon指数也观察到了相似的下降趋势（图1b）。NMDS和 ANOSIM 分析表明，25d和50d（根际25d除外）时不同剂量DEHP处理后的根际和根表的细菌群落结构显著不同（ p <0.01）（图1d，e）。这些结果表明，邻苯二甲酸盐污染显著改变了根际和根表的细菌群落。 根际和根表之间或DEHP处理和对照之间的细菌群落的相对丰度存在显著差异（附表S3，附图S3-S5）。Top5的优势门（共25个门）为 Proteobacteria 、 Bacteroidetes 、 Acidobacteria 、 Chloroflexi 和 Actinobacteria （相对丰度>5%，附表S3）。值得注意的是超过10个细菌门的相对丰度在根际和根表之间有显著差异（ p <0.05，附表S3）。根表中 Proteobacteria 和 Bacteroidetes 的相对丰度显著高于根际（ p <0.05），而 Acidobacteria 和 Actinobacteria 则呈相反趋势（附表 S3）。此外，LEfSe分析结果表明，13个类别可能解释了根际和根表之间的差异（LDA评分>3.5），根表中 Alphaproteobacteria 、 Bacterodia 、 Gammaproteobacteria 和 Chloroflexia 的相对丰度显著高于根际（附图S3）。另一方面，与不添加DEHP相比，DEHP胁迫显著增加了根际中 Proteobacteria 和 Bacteroidetes 以及根表中 Verrucomicrobia 的相对丰度（LDA评分>3.5， p <0.05，附图S3）。在属水平上，DEHP处理和非DEHP处理的根际和根表中分别有25个和48个细菌属（总共198个属，相对丰度>0.01%）的相对丰度显著不同（ p <0.05）。DEHP胁迫增加了根表中一些属的相对丰度（例如 Rhizobium 、 Bradyrhizobium 和 Streptomyces ），降低了某些属的相对丰度（例如 Nitrospira 、 Ramlibacter 和 Acidibacter ）（ p <0.05，附图S4，S5）。这些结果表明与根系相关的细菌群落不仅受到植物根系相关生态位的影响，还受到邻苯二甲酸盐污染的影响。

  图1 根系相关群落的α和β多样性。25d和50d根际和根表细菌群落的Chao1（a）和Shannon（b）指数，“**”代表根际和根表之间的显著性差异( p <0.01)，不同字母代表DEHP处理对根际或根表细菌群落多样性影响的显著性差异（ p <0.05）；（c）基于Bray-Curtis距离的NMDS分析；25d和50d，不同DEHP胁迫（0、20和100 mg/kg DEHP）下根际（d）和根表（e）细菌群落的NMDS分析。

LEfSe分析确定了24个属作为根表（15个属）或根际（9个属）中的生物标志物（LDA评分>4，图2a）。沿非根际—根际—根表的顺序观察到这些生物标志物的相对丰度发生了明显变化。一些属（例如，Rhizobium、Sphingobium、Niastella和Acidibacter）的相对丰度沿非根际—根际—根表的顺序呈增加趋势，表明这些细菌属在根表中富集。然而，一些属（例如，Bacillus和MND1）的相对丰度沿非根际—根际—根表的顺序呈下降趋势，表明这些细菌属在根表中被耗尽（图2b）。值得注意的是，邻苯二甲酸盐污染影响了根表细菌群落的富集或消耗过程。例如，在DEHP胁迫下Bacillus的相对丰度沿非根际—根际—根表的顺序呈下降趋势（图2c），这与非DEHP胁迫的情况是不同的（图2b）。

  图2 根际和根表细菌群落的生物标志物分析。（a）基于LEfSe分析的根际和根表细菌类群的LDA评分（LDA评分>4.0）；在非DEHP（b）和DEHP胁迫（c）下，从非根际土壤到根表的细菌类群的相对丰度的变化。

此外，在根际和根表细菌群落的198个属中鉴定了几个参与邻苯二甲酸盐降解的细菌属，例如Sphingobium、Rhizobium、Acinetobacter和Agromyces的平均相对丰度变化范围从0.007%至8.74%（图3）。这些参与邻苯二甲酸盐降解的细菌属在根际和根表的相对丰度也有明显不同。例如，Sphingobium（平均相对丰度为6.96%）和Rhizobium（平均相对丰度为2.24%）在根表显著富集，而Bacillus和Pseudomonas（平均相对丰度约为0.85%）则在根际中显著富集（图3）。这些邻苯二甲酸盐降解菌属（例如Agromyces和Rhizobium）也在DEHP胁迫下富集，DEHP胁迫处理下这些菌属的相对丰度显著高于非DEHP胁迫处理（图3）。

  图3 非DEHP和DEHP胁迫处理50d时的根际和根表细菌群落中与邻苯二甲酸盐降解相关菌的分布。“*”和“**”表示根际和根表之间在 p <0.05和 p <0.01时存在显著差异。不同字母代表不同DEHP处理（0、20和100mg/kg）对根际或根表细菌群落的影响有显著差异（ p <0.05）。 3 根系相关的微生物组的潜在来源和共现性网络 韦恩图显示非根际土壤和根际土壤共有的OTU数量最多（>70%的非根际土壤），根际和根表共有了根际中51%的OTU，而非根际土壤和内生层在第25d时共有的OTU数量最少（图4a）。50d后，非根际土壤、根际和根表共有了1081个OTU（33%的根际和41%的根表），而根表共有了根际68%的OTU，超过了第25d的结果（图4b）。

进一步对根际和根表的细菌群落进行了来源跟踪分析，以确定观察到的这些分类群的潜在来源。显然，根际细菌群落主要来自非根际土壤（54.4％）并与根表共有约33.7%的细菌群落（图4c）。根表细菌群落主要来自根际（86.0％，图4d）。25d时根表细菌群落不受DEHP胁迫的影响，而在第50d时受DEHP胁迫的影响较大（图4e）。对照（不含DEHP）组根表的细菌群落中来源于根表群落的比例显著低于DEHP胁迫组，而不含DEHP组根表的细菌群落中来源于非根际土壤的比例显著高于DEHP胁迫组（p<0.05，图4f）。

  图4 （a）根系相关细菌群落共有OTU及其来源跟踪分析；第25d（a）和第50d（b）的维恩图（OTU水平）；根际（c）和根表（d）细菌群落的来源追踪；第25d（e）和第50d（f）不同DEHP胁迫之间的根际细菌群落来源。不同字母代表不同DEHP处理对根表细菌群落来源（非根际土壤、根际和内生层）影响的显著性差异（ p <0.05）。

此外，选择根际（1111）和根表（749）中相对丰度>0.01%的OTU构建细菌群落的相关性网络图（p<0.05，R>0.6）。根际和根表的网络图中分别有1064和730个节点，29741和50345条边，其中正相关的比例分别为57.3％和52.3％（图5a）。根表细菌群落网络图（平均度值为138）比根际网络图（平均度值为55.9，节点数更多）的连接性更强。此外，根表细菌群落网络图（模块化指数0.2，5个模块）比根际网络图（模块化指数为0.18，8个模块）的模块化更强。在根表网络图的模块1、模块2和模块3中，Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Acidobacteria、Planctomycetes、Verrucomicrobia、Firmicutes和Actinobacteria占优势地位（图5b）。根际细菌群落网络图中，Proteobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Bacteroidetes、Verrucomicrobia、Gemmatimonadetes和Actinobacteria在模块1、模块2和模块3中占优势地位（图5c）。

  图5 根际和表细菌群落的共现性网络图分析。（a）根际和根表细菌群落的网络及其属性；根际（b）和表（c）细菌网络前三个模块中在门水平的群落组成。 4 根际和根表细菌群落的功能预测 使用PICRUSTs 2对根际和根表细菌群落进行功能预测。NMDS分析结果显示，细菌群落的功能组成在根际和根表之间分离，这与其β多样性的结果相似（ p =0.001，图6a）。值得注意的是，在根表细菌群落中观察到DEHP和非DEHP胁迫之间的功能存在显著差异（ p <0.05），而在根际中没有显著差异（图6b，c）。 此外，根际和根表之间以及在DEHP处理和非DEHP处理之间有许多细菌的功能丰度存在显著差异（ p  < 0.05，图6d，附表S4）。根表中与植物营养元素、碳转化和代谢（如氮、磷、硫代谢和脂肪酸代谢）相关的细菌功能的相对丰度显著高于根际（ p <0.05，图6d，附表S4）。此外，根际和根表细菌群落中与生物膜形成相关的细菌功能基因证实了细菌趋化性的功能变异（附表S4，附图S6）。根际细菌群落中与生物膜形成相关基因（如 pgaA 和 pgaD ）的相对丰度显著高于根表，DEHP胁迫下根际细菌群落中基因 pgaA 的相对丰度显著高于非DEHP处理（ p < 0.05，附图S6）。另一方面，DEHP胁迫可能会影响根表细菌群落的细菌功能。DEHP胁迫显著增加了根表中与碳代谢相关的细菌功能（如氨基糖和核苷酸糖代谢、淀粉和蔗糖代谢以及其它聚糖降解）的相对丰度，而降低了与细胞周期相关的细菌功能的丰度（ p <0.05，附图S7）。 与根系相关的细菌群落还表现出与外源污染物代谢和降解相关的特殊功能（例如，多环芳烃、氯代烷和苯甲酸酯降解），根表细菌群落的相对丰度显著高于根际（ p <0.05，图6d，附表S4)。与邻苯二甲酸盐降解相关的细菌功能基因证实了外源污染物代谢和降解的变化。基于KEGG数据库，观察到PAE降解基因编码的酶包括羧酸酯酶（ yvaK ）、脱羧酶（ pht5 ）、脱氢酶（ pht4 ）和双加氧酶（ pht2 、 pht3 、 pcaG 和 pcaH ）在根表和根际细菌群落之间存在明显的差异（图6e）。根表细菌群落中基因 pht5 的相对丰度显著高于根际，且基因 pht3 和 pcaG 在DEHP胁迫下显著富集（ p <0.05，图6e）。

图6.根际和根表细菌群落的功能预测。NMDS分析25d和50d（a）根际和根表的细菌功能，以及50d不同DEHP处理下根际（b）和根表（c）的细菌功能。（d） 在DEHP胁迫下，50d根际和根表细菌功能的相对丰度存在显著差异。（e） 邻苯二甲酸盐降解途径基于根际和根表细菌群落中鉴定的基因。

5 DEHP污染、细菌群落与玉米生长的相关性

Mantel检验结果表明，DEHP污染与根表细菌群落组成呈显著负相关（p<0.05），而与根际细菌群落的相关性较低（表1）。GAM分析表明，DEHP污染与根表细菌群落的α多样性（Chao1）呈显著负相关（p<0.01，表1）。这些结果表明，DEHP污染对根表细菌群落具有显著的负面影响。此外，玉米生物量与根表细菌群落的α多样性呈显著正相关（p<0.01，表1）。总的来说，DEHP污染对根表细菌群落具有显著的负面影响，进而导致玉米生物量的减少（附图S1）。

表1 采用Mantel检验和广义加性模型（GAM）分析根系相关细菌群落与DEHP浓度和玉米生物量的相关性

6 邻苯二甲酸盐胁迫影响了根系相关细菌在根系表面的定殖 SynCom R和SynCom B（附表S5）被用于进一步研究邻苯二甲酸盐对根系相关细菌在根表定殖的影响。用SynCom R和SynCom B在无菌玉米幼苗根系接种20d后，土壤中残留的DEHP浓度分别为106和135 mg/kg（附表S6）。SynCom R中的所有属（除了 Cellulomonas ）均可在根表上检测到，而SynCom B中的 Brevibacterium 、 Gordonia 、 Isoptericola 和 Fictibacillus 在根表上未检测到或者相对丰度较低（≤0.001%，图7a）。SynCom R中的 Rhizobium 、 Luteibacter 和 Streptomyces 有较高的相对丰度（分别为24%、11% 和 1.8%），在根表细菌群落中占优势地位（图7a、附表S7、S8），这意味着它们能很好地在根表定殖和生长。此外，通过扫描电镜观察到SynCom R和SynCom B在根表上表现出明显不同的栖息模式（图7b-g）。玉米幼苗生长20d后，在非DEHP条件下，接种了SynCom R的玉米根表面上分布着较为致密的生物膜（图7c），而在DEHP胁迫条件下生物膜明显变薄（图7d）。只有少数细菌分布在接种了SynCom B或未接种的根表面上（图7e，f）。同时，在连接每个细菌细胞的根表面上观察到明显的细胞分泌（图7g）。此外，接种了SynCom R的幼苗根中包括水杨酸和茉莉酸在内的植物激素的浓度显著高于未接种的幼苗根系（DEHP胁迫下的水杨酸除外）（ p <0.05），而接种了SynCom B和未接种的根系之间未观察到显著差异（附图S8）。

SynCom R在无菌玉米幼苗根系的成功定殖促进了植物生长（图S8）。在非DEHP处理下，接种了SynCom R的玉米茎和根的生物量显著高于接种了SynCom B或未接种的植株（p<0.05），而在DEHP胁迫下第20d时未观察到显著差异（附图S8）。SynCom R（8.31±0.97 mg/L）在LB培养基中产生的吲哚乙酸（IAA）浓度显着高于SynCom B（5.71±0.41 mg/L）（附图S8）。根系提取物的添加显著（p<0.05）促进了SynCom R的生长，但对SynCom B的生长无促进作用（附图S8）。在添加了根系提取物时，SynCom R和SynCom B的生长几乎不受邻苯二甲酸盐胁迫的影响（附图S8）。

  图7 合成细菌群落在根系表面的定殖和组装。（a）第10d和第20d，在非DEHP胁迫和DEHP胁迫处理下的土壤和根表中合成群落（SynCom R）的组成；（b）正常条件下的根表扫描电镜图；（c）非DEHP胁迫下接种了SynCom R后的根系表面的扫描电镜图;（d）DEHP胁迫下的根表扫描电镜图；（e）DEHP胁迫下接种了SynCom B后的根表扫描电镜图；(f) DEHP胁迫下未接种SynCom B的根表扫描电镜图；（g）微生物通过分泌与植物互作；（h）在第20d，非DEHP胁迫和DEHP胁迫下，接种了SynCom R、SynCom B和未接种（对照）的玉米根系中的水杨酸的含量；（i）在第20d，非DEHP胁迫和DEHP胁迫下，接种了SynCom R、SynCom B和未接种（对照）的玉米根系中的茉莉酸的含量。

讨论

1. 生态位和邻苯二甲酸盐污染都影响了与根 系 相关的细菌群落的组装 根系相关区室显著影响了玉米两个生长时期的细菌群落的组装和多样性。玉米（附表S2）和一些其他农作物（例如水稻、黑麦草和小麦）的根系相关区室（即非根际土壤、根际、根表和内生层）之间的细菌多样性和群落组成均存在着显著差异。根系相关区室之间细菌群落的变化主要是由植物宿主的选择性引起的，这对塑造根系相关微生物群落具有很强的选择作用。玉米根表的细菌群落多样性（Chao1和Shannon指数）显著低于根际（图1a，b），表明不同植物区室对根表微生物组的组装有一定的过滤作用。这一发现与先前对水稻和小麦的研究结果一致。由于宿主的选择性压力依次增强，细菌多样性沿非根际土—根际—根表—内生层的顺序逐渐下降（附表S2）。同时，一些物种（如 Rhizobium 、 Sphingobium 和 Niastella ）的相对丰度逐渐增加，而另一些物种（如 MND1 和 Bacillus ）的相对丰度则沿非根际土壤—根际—根表的顺序逐渐降低（图2b、c）。Reinhold-Hurek等人提出了关于根系相关区室中微生物群落富集的三个机制：（i）植物根系从环境中募集特定微生物群落，（ii）根系对这些群落进一步过滤，（iii）群落在根系表面定殖。与根系相关的特定细菌的富集主要由根际效应决定，特别是一些来自于根分泌物和次生代谢物（例如脂肪酸、苯并恶嗪类）的特定碳源。根际和根表的微生物群落主要来源于土壤，少数来源于内生菌（包括由种子产生的细菌）的垂直迁移。我们观察到根际细菌群落主要来自于非根际土壤（54.4%，图4c），前者被过滤后成为根表细菌群落的主要来源（86.0%，图4d），而只有少数的根系内生菌垂直传播并定殖在根表上（<5%，图4b、e、f）。 DEHP污染显著影响了根际和根表的细菌群落的组装，降低了细菌群落的多样性并改变了它们的组成。特别是DEHP胁迫导致一些特定的细菌类群如邻苯二甲酸盐降解细菌的富集（图3），并抑制一些敏感细菌类群在根际和根表富集（附图S4、S5）。前人研究发现，林丹和邻苯二甲酸盐等有机污染物对水稻根际细菌群落或根系相关区室中的细菌群落有明显的负面影响。DEHP胁迫下根表细菌多样性的降低比根际更显著（图1a，b），更多的细菌在根表富集或消耗（图S4，S5），这说明根表细菌群落与根际细菌群落相比对DEHP胁迫更敏感。这可能是由于根表细菌群落的多样性低于根际细菌群落（图1）。在相同条件下，SynCom R的生长和OD600低于SynCom B（附图S8c），且在DEHP胁迫下，SynCom R在根表的生物膜更薄（图7d）。这些结果表明邻苯二甲酸盐污染对根际和根表微生物组的影响不同，这与我们的假设（I）是一致的。然而，之前的研究忽略了污染物对根际微生物组的影响。事实上，根表的微生物群落在根系上的物理性附着及选择某些细菌在根表面上形成生物膜方面起着选择性的门控作用。有研究曾报道了水稻和受黄龙病影响的柑橘根际—根表—内生层中微生物组的富集或消耗过程。本研究首次揭示了有机污染物（邻苯二甲酸盐）对根系相关生态位的（即非根际、根际、根表和内生层）细菌群落的影响。 事实上，与根系相关的细菌群落的组装是非常复杂的，而且还受到许多环境因素的影响，这可能对根际和根表细菌群落对DEHP胁迫的不同响应产生影响。许多因素可以介导和影响微生物群落的组装，例如根系分泌物（如有机酸）、土壤理化性质（如土壤有机碳）、特定的次生代谢物（如玉米合成的苯并恶嗪类）、胁迫诱导的植物激素、来自植物和微生物的信号等。我们之前的研究表明，DEHP胁迫可以改变植物的根系形态、根系分泌物（包括有机酸）的组成和含量，从而影响土壤理化性质（例如土壤有机碳、pH）。这些因素可以改变根系相关微生物群落的组装和结构。然而，邻苯二甲酸盐胁迫下根系分泌物和土壤理化性质对根系相关微生物群落的具体的影响和机制还需要进一步研究。 2. 邻苯二甲酸盐胁迫下根际和根 表 细菌 的 相互作用 栖息地中的微生物通过微生物相互作用形成复杂的关联网络。具有高度连通性的微生物网络的复杂性有利于微生物群落的稳定及响应环境胁迫（例如干旱、污染）。然而，关于有机污染胁迫下根系相关微生物组中复杂微生物间的相互作用的研究还相对较少。我们发现根际和表细菌群落在邻苯二甲酸盐污染下表现出较高的连通性（平均度值>50），并且根表细菌群落比根际微生物群落的相互作用更复杂但更集中（图5a）。然而，在两个地点的不同施肥处理后的玉米和小麦，以及连续单一栽培下的牛膝根系均发现了不同的结果，即网络复杂性沿非根际土壤-根际-根表的顺序逐渐降低。因此，不同根系相关生态位的微生物组可以构建不同的复杂的相关性网络以响应环境胁迫。 一般来说，具有复杂网络和更强连通性的微生物相互作用构成了一个更稳定的微生物生态系统，与更简单的网络和更低连通性的微生物生态系统相比，它更能应对环境变化。本研究中具有复杂网络的根表的细菌群落可能比根际的细菌群落更稳定（图5）。然而，与根际相比，邻苯二甲酸盐胁迫和强烈的宿主选择压力导致根表中细菌群落的多样性相对较低（图1a，b）。相对较低的细菌群落多样性可能更有利于维持植物相关微生物群落与其宿主之间共生关系的稳定性。与根际相比，DEHP胁迫显著降低了根表中对邻苯二甲酸盐敏感的细菌类群的丰度（附图S4，S5）。然后，植株选择了耐邻苯二甲酸盐的细菌成员（例如， Proteobacteria 和 Verrucomicrobia ），并在根表构建了比根际更稳定且抗逆性更强的细菌群落（图5c，附图S4，S5）。 3.根系相关细菌的特定功能促进植物生长和有机污染物降解 有机污染不仅会影响微生物群落结构，还会影响其在环境中的功能。本研究中，根表细菌群落的结构和功能组成与根际中的细菌群落显著不同（图6a）。这一结果表明，根际和根表细菌群落可能为宿主提供特定和不同的生态功能。值得注意的是，在根表中观察到DEHP浓度与细菌群落多样性之间存在显著的相关性，但在根际中则没有（表1）。此外，与未添加DEHP的处理相比，DEHP胁迫显著改变了根表的细菌功能（图6c），但未改变根际细菌功能（图6b），这进一步验证了我们的假设（I）。 众所周知，植物—微生物相互作用和土壤的较高的微生物多样性可以提高土壤的生产力（例如植株的生长和生物量）。前人的研究主要侧重于非根际土壤和根际土壤生产力与微生物群落之间的相关性，而忽略了根表微生物组的重要作用。本研究中受DEHP胁迫影响的根表细菌群落多样性与玉米的生物量呈显著负相关（表1）。此研究结果证实了DEHP胁迫对根表细菌群落的结构和功能产生了负面影响，这可能导致了玉米生物量的降低。此外，与元素循环（例如氮、磷和硫代谢和转化）相关的活性细菌功能在根表上富集（图6b，附表S4）。这证实了与根系相关的微生物群（包括根际，尤其是根表）对养分获取和宿主生长具有重要作用。特别是根表上富集的类群和功能（图6b，附表S4）促进了植物—微生物的相互作用。这些结果表明了微生物从根表获取植物养分的巨大潜力。 植物与微生物的相互作用可以加速去除有机污染物，有利于生物修复。本研究从根际和根表的细菌群落中鉴定了一些与有机污染物（例如多环芳烃、氯烯烃、苯甲酸酯和双酚）降解相关的细菌功能。 与有机污染物降解相关的几种细菌功能在根表细菌群落中富集（图6b，附表S4）。 事实上，一些邻苯二甲酸盐降解细菌（例如 Agromyces 、 Acinetobacter 和 Rhizobium ）在根表和根际细菌群落中被鉴定和富集（图3）。这些结果表明，根际和根表细菌可能是自然消除有机污染物的重要微生物资源。特别是编码邻苯二甲酸盐降解酶的功能基因已被进一步证实具有生物修复的潜力。本研究中根际和根表细菌群落有与邻苯二甲酸盐水解和开环相关的功能基因（例如编码羧酸酯酶的 yvaK 和编码双加氧酶的 pht 基因家族）（图6e）。邻苯二甲酸盐的降解途径表明邻苯二甲酸盐可以被根际和根表中的细菌群落完全矿化（图6e）。这些富集的邻苯二甲酸盐降解细菌和基因可能在邻苯二甲酸盐降解和生物修复中发挥重要作用。 4.邻苯二甲酸盐胁迫影响玉米根系合成群落的再定殖 根系相关细菌群落的再定殖受DEHP胁迫的影响。SynCom R成功地在根表上再定殖（图7），这表明这些细菌分类群（已被植物宿主选择）可能重新返回到根表上。SynCom（合成群落）在根表上成功再定殖的能力主要取决于SynCom的特定性状（例如，有关趋化性的基因的表达）、SynCom与原生微生物（例如，土传和内生细菌）之间复杂的相互作用以及固有寄主植物的免疫系统。本试验中与趋化性和生物膜形成相关的细菌功能（例如基因 pgaA 和 pgaD ）存在于根际和根表的细菌群落中（附表S4；附图S6）。SynCom R以聚集体和生物膜的形式重新定殖在玉米根表面（图7），尽管根际细菌群落的生物膜形成基因（例如 pgaA 和 pgaD ）的丰度显著高于根表（附图S6）。植物宿主的选择压力抑制了根表细菌群落，一些特定的细菌类群可以通过形成生物膜来适应环境。源自玉米根部的SynCom是特异的以适应其宿主植物，因此可以成功地在根表重新定殖。根表的微生物定殖可以诱导植物的免疫反应（例如，分泌植物激素）。SynCom R的成功定殖显著增加了在非DEHP胁迫条件下（DEHP胁迫未观察到此现象）根系中水杨酸和茉莉酸的浓度（附图S8），这表明根系相关细菌群落在根表的重新定殖明显受到DEHP胁迫的影响。与根系相关的微生物群可以利用植物根中的化合物（例如根系分泌物）作为碳源。然而，DEHP污染改变了与根表细菌群落的碳和氨基酸代谢（附图S7）。因此，DEHP对土壤的污染影响了SynCom的定殖和生物膜形成以及细菌群落的丰度和功能。 有趣的是，与根系相关的微生物组和植株是互惠互利的关系。与未接种处理相比，SynCom R的接种和定殖显著增加了玉米的生物量（附图S8），根表的细菌群落多样性与玉米生物量显著相关（表1）。这可能是由于细菌类群通过产生植物激素（吲哚乙酸）（图S8）和增强植物宿主的养分获取来与宿主植物共生（图6）。反过来，玉米根系提取物显著促进了SynCom R的生长（图S8）。这些结果表明，根表细菌和宿主植物之间存在共生模式。值得注意的是，在邻苯二甲酸盐胁迫下，接种SynCom R、SynCom B和未接种处理的玉米生物量没有显著差异。因此，邻苯二甲酸盐胁迫显著影响了根表细菌—植物的相互作用以及根表细菌与宿主植物之间的共生模式。 总之，邻苯二甲酸盐胁迫对根系相关细菌群落的结构和功能产生负面的影响，并对植物生长产生抑制作用。前人研究发现土壤中的有机污染物（例如林丹）会对小麦和水稻等植物的生长产生抑制作用，但其影响机制尚不清楚。众所周知，土壤微生物群落多样性与植物生长显著相关，根系相关细菌群落的多样性对植物生长和健康有很大的影响。在本研究中我们证实邻苯二甲酸盐胁迫降低了与根系相关的细菌群落（特别是根表）的多样性并改变了它们的结构和功能，导致根表中一些对邻苯二甲酸盐敏感的细菌类群如 Acidibacter 和 Nitrospira 的枯竭过程（附图S4），它们已被报道在植株生长中发挥其生态作用。此外，有机污染影响了根系相关微生物（尤其是根表）的组装和定殖以及植物与微生物的相互作用，从而影响了植株的生长。这些结果表明，邻苯二甲酸盐胁迫对根系相关细菌群落的生态功能产生负面的影响，进而对玉米植株的生长产生了负面影响。

结论

玉米根系相关细菌群落的变化主要由区室生态位（如根际、根表和内生层）决定，但随着某些特定类群（如参与邻苯二甲酸盐降解的细菌群落和功能基因）的富集，邻苯二甲酸盐胁迫也显著影响了与根系相关的细菌群落的结构和功能。与根际细菌群落相比，根表细菌群落的多样性较低，说明根表细菌群落对邻苯二甲酸盐胁迫更敏感。此外，邻苯二甲酸盐污染干扰了合成细菌群落在玉米根表的定殖和组装，尤其是使其生物膜变薄。根表细菌群落与玉米植株的生长显著相关，但受DEHP胁迫的负向影响。因此，邻苯二甲酸盐污染改变了与根系相关的细菌群落和植物与微生物的相互作用，从而影响了细菌群落的生态功能。本研究对植物根系相关细菌群落对有机污染物的响应机制提供了更深入且全面的理解。 原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389422000681 获取此篇微文原文pdf请扫描下方二维码联系微科盟多组学老师即可。

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