盐胁迫下，Suaeda salsa 的电导机制在调控微生物组装及代谢组响应中的作用

《Environmental Research》：Mechanisms of Electrical Conductivity in Shaping Microbial Assembly and Metabolomic Responses of Suaeda salsa under Salt Stress

本研究以盐生植物Suaeda salsa为模式，整合微生物组测序与代谢组学分析，揭示不同盐度梯度下根系、叶片及土壤微生物群落结构与代谢物网络的互作机制。结果表明：低盐条件下代谢物种类最多，高盐显著抑制积累；细菌多样性随盐度升高持续下降，而真菌多样性在中等盐度时达到峰值；微生物群落组装受环境梯度驱动，细菌互作网络复杂度高于真菌。该研究为盐碱地改良和耐盐作物育种提供理论支撑

　　

应洲唐|袁媛牛| Bingyu李|德宗隋|凯鹏江|季伟郑|景文邹|景文连|雷王|应丹元

中国江苏省林业科学院，南京

摘要

土壤盐碱化是一个全球性的环境问题，影响着超过10亿公顷的土地，严重威胁着农业生产和生态可持续性。Suaeda salsa L.（以下简称）是一种有前景的盐生植物模型，可用于研究植物的耐盐机制。然而，盐生植物中的代谢途径与不同盐度梯度下微生物群落的功能特征之间的关系仍不甚明了。本研究采用了一种综合的多组学方法，结合了高通量微生物扩增子测序（细菌16S rRNA基因V3-V4区域和真菌ITS1区域测序）和非靶向代谢组学（液相色谱-串联质谱，LC-MS/MS），以解析在受控盐度梯度下中的微生物-代谢物相互作用。我们分析了暴露于低、中、高电导率（EC）条件下的根、叶和根际土壤中的细菌和真菌群落及其代谢组谱型。结果表明，根际土壤和根部的细菌α多样性随EC升高而减少，而叶片相关的细菌和真菌α多样性在中等EC时达到峰值。在所有部位中，细菌的分类多样性都高于真菌。共现网络分析显示，在所有EC水平下，真菌网络的连接数量都少于细菌网络。功能预测表明，高EC条件下叶片膜转运基因的相对丰度高于中等EC条件，并在低EC时达到峰值。代谢组谱分析显示，最低EC水平产生了最多的代谢物，而较高的EC显著抑制了代谢物的积累。在低EC条件下，根和根际土壤中的微生物群落组装主要受扩散限制的影响；而在高EC条件下，叶片真菌群落的组装则受确定性过程的控制。这些发现阐明了植物相关微生物群落和代谢物对EC梯度的不同响应，加深了我们对盐生植物耐盐机制的理解，并为盐碱土壤改良和耐盐作物育种提供了理论支持。

引言

土壤盐碱化是一个普遍存在的农学问题，它显著降低了作物产量和种子质量（Xu等人，2017年；Sanga等人，2024年）。由于灌溉和气候变化加剧了自然土壤的盐分含量，受盐影响的土壤面积每年都在扩大（Zhang等人，2024年）。盐分胁迫通过多种有害作用限制了植物生长和产量，尤其是在细胞水平上引起离子毒性和渗透压失衡（Munns和Tester，2008a）。为了在高盐环境中生存，植物依赖于复杂的调控网络来控制离子运输和细胞器内的同化物分配（Zhao等人，2017年）。真正的盐生植物是进化出能够在盐碱环境中茁壮成长的植物，它们采用专门的生理策略来应对高盐浓度（Asghar等人，2025年）。相比之下，大多数作物是耐盐性较低的甘盐植物；因此，通过遗传改良培育耐盐品种是提高盐碱地区农业生产力的科学合理策略（Yang等人，2012年）。因此，了解盐生植物（如）的耐盐机制并识别关键盐响应基因具有重要意义（Wu等人，2012年）。

近年来，多组学技术的发展使得对盐生植物耐盐机制的研究从单一基因或代谢物的分析转向了“基因组-转录组-代谢组-微生物组”综合方法。在转录组水平上，研究人员通过差异表达分析（DEA）鉴定出许多盐响应基因。例如，在Eutrema salsugineum中，SOS1基因（参与离子运输）和MAPK基因（参与应激信号转导）在盐胁迫后12小时内可上调超过10倍（Munns和Tester，2008b）。在代谢组水平上，非靶向LC-MS分析显示，高盐条件下的盐生植物会特异性积累黄酮类化合物和酚酸。这些次生代谢物增强了系统的氧化还原缓冲能力，并同时重塑了根际微环境（Parailloux等人，2023年）。值得注意的是，新兴证据表明根际微生物组在盐生植物的耐盐性中起着“协同作用”，其群落结构和功能的动态变化已成为关键研究焦点。盐生植物通过根部主动分泌有机酸和氨基酸，从而选择性地富集如Pseudomonas和Bacillus等耐盐和固氮微生物。这些微生物通过产生胞外多糖来改善土壤结构并降低盐的生物有效性，同时合成如吲哚-3-乙酸等植物激素以刺激植物生长。它们共同建立了相互促进的植物-微生物联盟，系统性地缓解了盐胁迫（Shultana等人，2022a；Ali等人，2009年）。

然而，仍存在一些关键的知识空白：大多数研究仅关注了单个盐生植物的地上或地下响应，而没有系统地理解植物、土壤和微生物之间的相互作用网络。此外，盐生植物的代谢过程与不同盐度梯度下微生物群落动态之间的功能关系仍不甚明了。S. salsa是一种草本真盐生植物，具有出色的耐盐碱胁迫能力，在食用和生态恢复方面具有巨大潜力（Wang等人，2025年；Song和Wang，2015年）。然而，不同电导率（EC）土壤中微生物群落的组装模式、土壤代谢物的差异积累及其与耐盐性的内在联系尚未得到系统研究。

因此，本研究以为模式生物，将微生物组测序与非靶向代谢组学相结合，以表征不同盐度梯度下根、叶和根际土壤的微生物群落结构和代谢谱型。我们的目标是提供关于盐生植物耐盐机制的新“多界协同”视角，并为盐碱土壤改良和耐盐作物育种建立理论基础。具体来说，我们探讨了以下问题：（1）土壤中EC梯度下微生物群落的结构如何变化？（2）在不同EC条件下不同器官中的代谢物积累模式和关键代谢途径有何差异？（3）微生物群落组装与代谢组重塑之间存在何种内在关系？我们提出以下假设：（1）随着EC的增加，根际和根部的细菌多样性会下降，而叶片中的微生物多样性可能最初增加随后减少。（2）在低EC条件下，在所有器官中产生更广泛的代谢物谱型，而中高EC逐渐抑制这种积累。每个器官对EC的响应也各不相同：根际倾向于富集与离子稳态相关的代谢物，而叶片则优先积累抗氧化代谢物。（3）通过重塑植物代谢组，土壤EC间接影响微生物群落的组装，这种间接效应对细菌群落的影响比对真菌群落的影响更强。

材料与方法

本研究旨在解析在盐胁迫下的微生物-代谢物相互作用，并揭示电导率（EC）对微生物群落组装和植物代谢组响应的调控机制。为此，我们结合了高通量微生物扩增子测序和非靶向液相色谱-质谱（LC/MS）代谢组学，并进行了严格的统计分析。以下部分详细介绍了实验设计和样本

不同EC梯度下的微生物α多样性和群落组成差异

我们分析了在不同盐度梯度下的α多样性。在土壤和根部，细菌丰富度和Shannon多样性随EC升高而稳步下降，而真菌丰富度和Shannon多样性在中等EC时达到峰值（图1c-f）。根际土壤和根部细菌丰富度及Shannon多样性的稳步下降与沿海盐碱环境的恶化密切相关。此外，还存在显著差异

不同电导率对Suaeda相关微生物组结构和多样性的调控作用

本研究发现，EC的增加显著降低了根际土壤和根部的细菌α多样性，支持了我们的初步假设，并与先前的研究结果一致，即高盐度会抑制土壤和根系中的细菌多样性（Wang等人，2024年）。在高盐环境中，升高的渗透压导致微生物细胞脱水，而高浓度的Na⁺和Cl^-离子抑制酶活性，从而消除了敏感的微生物属

结论

来自中国江苏省盐城市大丰区曹庙镇川东港闸区的成熟个体及其相应的根际土壤。本研究的目的是阐明的盐适应机制。结果表明：（1）在所有EC水平下，真菌宏群落的连接数量始终少于细菌宏群落；（2）最高的代谢物丰度

CRediT作者贡献声明

应丹元：撰写——审稿与编辑、验证、资源、方法学、正式分析、概念化。雷王：撰写——审稿与编辑、监督、资源、方法学、研究。应洲唐：撰写——初稿、方法学、研究、正式分析、概念化。景文连：监督、研究。景文邹：监督、资源。季伟郑：验证、软件。Bingyu李：可视化、资源、研究。袁媛牛：撰写——

伦理批准和参与同意

不适用。

出版同意

不适用。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究得到了江苏省本土树种碳封存造林研究（项目编号LYKJ[2023]01）、中央财政林业科技推广项目（Su[2024]TG14）、江苏省林业科学院青年基金（JAF-2025-01）以及江苏省耐盐本土树种长期科学研究基地（项目编号LYKJ[2021]08）的资助。

利益冲突声明

作者声明与本研究无利益冲突。