《Frontiers in Plant Science》：Restructuring of the epiphytic microbiome and recruitment of algicidal bacteria by Vallisneria natans for the suppression of Microcystis
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本文揭示了沉水植物苦草（Vallisneria natans）在抑制有害蓝藻微囊藻（Microcystis）过程中，其叶片附生微生物群落（包括细菌、真核藻类、真菌和原生动物）发生显著重构，并特异性招募了以链霉菌属（Streptomyces）、假单胞菌属（Pseudomonas）和金黄杆菌属（Chryseobacterium）为代表的潜在溶藻细菌。研究通过时间序列分析表明，苦草可能通过释放茉莉酸等代谢物“呼救”，主动招募有益微生物，从而增强其对微囊藻的抑制能力，为理解水生植物-微生物互作调控水华提供了新机制。
引言
沉水植物对蓝藻的有效抑制是其在富营养化水体中成功恢复的关键机制。传统观点认为化感作用是主要机制，但痕量化感物质似乎不足以完全解释观察到的抑制效果。类似陆地植物，沉水植物叶片表面栖息着复杂的附生微生物群落，包括原核生物（如细菌）和真核生物（如藻类、原生动物、真菌等）。前期研究表明，移除附生微生物会显著降低沉水植物粗提物对微囊藻的抑制率，提示附生微生物可能起关键作用。本研究旨在探究沉水植物苦草在抑制微囊藻过程中，其附生微生物群落的响应动态及潜在功能，并验证两个假说：（1）附生细菌和真核生物在抑制过程中的响应动态可能不同；（2）苦草可能招募有益微生物协助抑制微囊藻。
材料与方法
实验选用苦草幼苗和产毒微囊藻株系（FACHB-915）。实验设置三个组：苦草暴露于微囊藻组（TSV）、苦草单独培养对照组（V）和微囊藻单独培养对照组（TS）。TSV组实验过程包括预胁迫期（0–7天）、胁迫期（第8天引入微囊藻）和恢复期（微囊藻被抑制后）。实验持续33天，并在第14天进行第二次微囊藻添加。监测微囊藻细胞密度（OD680）和胞外微囊藻毒素（MC）浓度。测定苦草的鲜重、叶长、过氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量，并进行非靶向代谢组学分析。通过高通量测序（16S和18S rRNA基因）分析附生微生物群落。使用主坐标分析（PCoA）、共现网络分析、修正随机性比率（MST）和随机森林回归等统计方法分析数据。
结果
微囊藻生长及胞外微囊藻毒素的时序变化
在TSV组中，微囊藻细胞密度（OD680）在引入苦草后显著下降，从第19天起维持在低水平（0.01），而TS对照组则持续上升。尽管微囊藻细胞被抑制，TSV组胞外MC浓度在胁迫后期达到峰值，是对照组的5.5倍，随后逐渐下降。TS对照组胞外MC浓度则持续上升。
苦草的生长及生理代谢响应
胁迫期，TSV组苦草的鲜重和叶长显著低于V对照组（p< 0.05）。恢复期，其生物量和长度则显著高于对照组。胁迫期，TSV组苦草的POD活性和MDA浓度显著升高，表明氧化应激增强。恢复期，二者仍高于对照但差异不显著。KEGG通路富集分析显示，胁迫期TSV组有16条代谢通路发生改变，包括谷胱甘肽代谢、ABC转运蛋白等；恢复期差异通路减少至4条。
附生微生物组多样性和结构的时序变化
胁迫期，TSV组附生细菌和真核藻类的Shannon和Pielou_e指数增加，而其他真核生物（主要是真菌和原生动物）的多样性显著降低（p< 0.05）。恢复期，各微生物组多样性恢复至接近对照水平。PCoA显示TSV组与V组之间以及TSV组内胁迫期与恢复期之间的附生微生物群落组成存在明显差异。附生细菌以变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota）为主。链霉菌属（Streptomyces）和瑞兰氏菌属（Reyranella）在TSV组胁迫期相对丰度增加。附生真核藻以硅藻为主，结构稳定。其他真核生物以子囊菌门（Ascomycota）、Aphelidea和纤毛虫门（Ciliophora）为主，TSV组中Aphelidea下的副瓶菌属（Paraphelidium）相对丰度在胁迫末期增加至54.88%。
群落组装过程与附生微生物组的共现网络
MST分析表明，确定性过程主导了TSV组附生微生物群落的组装（贡献率：细菌94%，真核藻类89%，其他真核生物86%）。共现网络分析显示，TSV组的网络节点、边数、密度和模块性均增加，群落复杂性增强。TSV组的所有枢纽类群均为细菌，主要包括“Candidatus_Megaira”、贪铜菌属（Cupriavidus）、假单胞菌属（Pseudomonas）等，突出了附生细菌在抑制过程中的重要作用。
溶藻附生细菌的富集
从附生微生物组中筛选出22个已知具有溶藻潜力的细菌属。胁迫期末，TSV组溶藻细菌总相对丰度（13.4%）显著高于V对照组（5.8%, p< 0.01），恢复期差异消失。富集的溶藻细菌主要属于放线菌门、变形菌门、厚壁菌门（Firmicutes）等，优势菌属为链霉菌属（73%）、假单胞菌属（12%）和金黄杆菌属（10%）。随机森林模型筛选出与溶藻细菌群落显著相关的10种代谢物，包括茉莉酸、儿茶素7-阿吡呋喃糖苷等。
讨论
附生微生物群落的重构
本研究首次提供了时间分辨证据，表明产毒微囊藻的相互作用改变了苦草叶际整个附生微生物群落的结构和多样性，原核和真核微生物组分表现出不同的响应动态。这种重构与微囊藻胁迫及植物恢复过程密切相关。微囊藻细胞分解释放的营养物质和周围浮游细菌的定植可能促进了附生细菌和藻类多样性的增加，而大量释放的微囊藻毒素及其引起的微生物间相互作用（如交叉取食、寄生、共生和捕食）的变化可能导致其他真核生物多样性降低。确定性过程是群落组装的主要驱动力。附生细菌在共现网络中成为枢纽，表明其在抑制过程中的核心作用。放线菌门（如链霉菌属）的相对丰度在胁迫期显著增加。附生硅藻群落结构稳定，其低多样性及可能受Aphelidea类寄生生物（如副瓶菌属）的“自上而下”调控，可能减少了对宿主植物的竞争压力。
溶藻细菌的招募
胁迫期溶藻细菌的相对丰度和多样性显著增加，恢复期回落，表明苦草可能主动招募溶藻细菌以增强对微囊藻的抑制能力。这为沉水植物抑制蓝藻提供了除直接化感作用外的间接机制。苦草在胁迫期产生了至少117种差异代谢物和16条差异代谢通路，包括与解毒和胁迫抵抗相关的谷胱甘肽代谢和ABC转运蛋白通路。茉莉酸作为关键的植物激素和微生物互作信号分子，与溶藻细菌群落显著相关，可能参与调控如链霉菌属等有益细菌的招募和活化。筛选出的溶藻细菌（如链霉菌属、假单胞菌属、金黄杆菌属）可通过直接或间接方式发挥溶藻作用，部分菌属还具有降解微囊藻毒素的潜力。
结论
本研究首次全面证实了苦草在微囊藻胁迫下重构其附生微生物组，并特异性招募溶藻细菌，揭示了植物与微生物协同抑制有害蓝藻的动态群落水平机制，为利用植物-微生物互作进行水体生态修复提供了新的见解。
