高粱叶际关键有益特化菌在养分高效型品种中的促产机制与宿主基因型依赖性研究

《Plant, Cell & Environment》：Phyllosphere Keystone Beneficial Specialists Enhance Yield in Nutrient Deficiency-Resistant Sorghum Cultivars

本研究揭示了养分高效型高粱品种通过宿主基因型特异性调控叶际微生物群落组装，富集以拟杆菌纲（Bacteroidia）和芽孢杆菌纲（Bacilli）为主的关键有益特化菌（KBS），并通过构建更模块化的共生网络正向调控作物产量。研究结合多维生态学分析与结构方程模型（SEM），首次提出“叶际关键有益特化菌”概念，为作物叶际微生物组定向育种和叶面微生物制剂开发提供了新靶点。

　　

摘要

叶际作为植物叶片与微生物互作的关键界面，对作物生产力具有重要但未被充分认知的生态功能。本研究以耐养分缺乏型和敏感型高粱品种为对象，通过田间采样与多维生态学分析，系统解析了宿主基因型如何调控叶际微生物群落组装、关键类群富集及产量效应。

1 引言

叶际是全球最大的微生物栖息界面之一，其细菌密度可达10⁶–10⁷cells/cm2。尽管面临紫外线、干旱等胁迫，叶际微生物仍能通过调节激素信号、增强抗病性等方式促进植物健康。宿主基因型通过叶片表面结构、挥发性化合物等性状驱动微生物群落分异，但叶际微生物组在田间条件下的功能机制尚不明确。本研究提出“关键有益特化菌”概念，即同时具备网络中心性、窄生态位宽度和促生功能的类群，为解析基因型-微生物组-产量关联提供新框架。

2 材料与方法

在山西东阳试验站采集10个高粱品种（5耐缺素/5敏感）的叶际、根内、根际及土壤样本，结合16S rRNA和ITS扩增子测序分析微生物群落结构。通过βNTI指数、中性模型和莱文斯生态位宽度指数评估群落组装机制，利用共现网络识别关键类群，并基于结构方程模型量化微生物、土壤因子对产量的贡献。

3 结果

3.1 微生物多样性差异集中于叶际

养分高效型品种的叶际微生物β多样性显著区别于敏感型，且细菌门水平变形菌门（Proteobacteria）和真菌科水平格孢腔菌科（Pleosporaceae）等类群丰度差异显著。

3.2 真菌群落组装趋向确定性过程

高效型品种真菌群落的βNTI值显著升高，异质性选择作用增强，且生态位宽度变窄，表明宿主选择压力强化。

3.3 高效型品种拥有更复杂的微生物网络

其网络节点数（1263 vs. 1087）和连接数（13954 vs. 11389）更高，模块化程度增强，且关键类群中拟杆菌门和放线菌门比例上升。

3.4 关键有益特化菌（KBS）富集与产量正相关

高效型品种KBS相对丰度达3.23%（敏感型仅1.28%），以拟杆菌纲和芽孢杆菌纲为主，且KBS丰度与产量呈显著正相关（R>0.6, p<0.001）。敏感型品种中KBS与产量呈负相关，暗示宿主调控失效可能导致微生物功能失调。

3.5 土壤性质与KBS协同调控产量

结构方程模型表明，土壤性质对所有品种产量均有正向效应，但KBS的作用呈基因型依赖性：高效型中正向贡献显著，敏感型中则表现为抑制作用。

4 讨论

宿主基因型通过叶片性状（如角质层成分、免疫信号）过滤微生物，驱动叶际群落分异。高效型品种能富集具有互补功能的KBS类群（如芽孢杆菌的抗菌物质合成、拟杆菌的碳循环参与），形成稳定互作网络。而敏感型品种的微生物组装随机性较强，且可能因宿主筛选能力不足导致潜在有益菌功能失调，符合“安娜·卡列尼娜原则”中逆境宿主微生物组易紊乱的规律。

5 结论

高粱基因型通过调控叶际KBS的富集与功能实现产量分化，这为叶际微生物组定向育种及微生物制剂开发提供了理论依据。后续需通过合成群落（SynComs）实验验证KBS的因果功能。