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盐碱胁迫影响根际微生物群跨 kingdom 相互作用，古菌和病毒 alpha多样性随胁迫强度增加显著提升，beta多样性受胁迫和作物基因型共同调控，病毒与真菌/细菌的正向关联增强，支持压力梯度假说，为盐碱土壤修复提供微生物调控理论。
方莉|吴林伟|徐长林|郭书文|赵金华|王毅|李佩佩|朱彪
中国河南省农业大学高效小麦玉米双季种植国家重点实验室与资源与环境科学学院，郑州
摘要
全球盐碱化问题日益严重，但其对跨界微生物相互作用的影响仍知之甚少。本研究调查了在盐碱胁迫条件下农田中根际古菌、细菌、真菌和病毒之间的跨界相互作用。通过分析中国东北典型盐碱地区的根际土壤微生物组结构和网络的变化，我们发现：（1）根际古菌和病毒的α多样性随盐碱胁迫强度的增加而显著增强；所有四个界（古菌、细菌、真菌和病毒）的β多样性均受到胁迫强度和作物基因型的显著影响，群落分化主要由植物钠浓度决定。（2）根际病毒群落的组成因作物类型和胁迫水平而异，其中优势病毒属于Cressdnaviricota（感染真核生物）、Phixviricota和Uroviricota（感染原核生物）。（3）随着盐碱胁迫的加剧，共现网络中的整体和跨界正相关性增强，支持了“胁迫梯度假说”（SGH）。值得注意的是，病毒与真菌、病毒与细菌之间的正相关性显著增加；同时，同一界内的正相关性比例下降，表明界内竞争加剧。这些发现通过纳入病毒群落，进一步完善了传统的SGH理论，为识别生态网络中的关键微生物物种提供了重要的理论指导，有助于设计针对性的微生物接种剂以改善盐碱土壤并促进更广泛的生态系统恢复。
引言
盐碱化正在对土壤生态系统及其栖息的生物造成前所未有的影响（Ding等人，2024年）。作为一种全球性问题，盐碱化通过钠毒性直接威胁植物和其他对植物生长至关重要的土壤微生物群落，并通过恶化土壤的物理化学性质间接产生影响（Liu等人，2024a年）。这些效应严重破坏了全球生态系统的稳定性和农业生产。土壤生物在陆地生态系统的物质循环和能量流动中起着关键作用。最近，国际微生物生态学会与多个机构合作，呼吁采取微生物解决方案来应对气候灾难（Peixoto等人，2024年）。微生物群落具有高度多样性，它们不仅对环境变化非常敏感（Knight等人，2024年），还能通过快速进化和复杂相互作用获得抗逆性，这些特性使它们成为生态恢复的重要驱动因素。尽管盐碱胁迫对微生物类群和功能的影响已经得到充分研究（Bustos-Caparros等人，2024年；Liu等人，2022年；Yang和Sun，2020年），但盐碱胁迫对跨界微生物相互作用的影响仍不明确。
Bertness和Callaway（1994年）首次提出了“胁迫梯度”概念，指出在环境胁迫加剧的情况下，植物群落中正向相互作用的重要性增加。随后，Bertness和Ewanchuk（2002年）基于盐沼生态系统的研究，正式提出了胁迫梯度假说（SGH），提出植物物种之间的正向相互作用强度随环境胁迫的加剧而增加。同年，Callaway等人（2002年）使用高山植物群落验证了这一假说，发现高海拔（更高胁迫）条件下植物间的促进作用更强。随着Brooker等人（2008年）将SGH纳入更广泛的群落生态学框架，一些研究也开始关注益生菌真菌和细菌在植物群落恢复中的促进作用（Bertness等人，2024年）。作为植物对抗各种胁迫的关键盟友，根际微生物参与复杂的相互作用（Harris，2009年）。土壤微生物在海拔压力增加的情况下促进了五种植物的发芽，支持了SGH（David等人，2020年）。然而，随着胁迫强度的增加，微生物相互作用是否符合SGH的模式仍有待探索。
由于微生物的数量庞大且尺度微小，直接观察它们的竞争或合作相互作用具有挑战性。高通量测序技术的进步使得大规模获取微生物群落数据成为可能，为研究这些相互作用开辟了新途径（Sogin等人，2006年）。生态网络作为复杂微生物相互作用的近似表示，其中节点代表分类单元，边表示它们的生态关系（Yuan等人，2021b年）。尽管由于共同的环境因素可能导致虚假相关性，但分析土壤中的微生物共现模式可以揭示潜在的生物相互作用（Barberán等人，2012年）。微生物网络中的正相关性和负相关性为评估微生物系统中的SGH提供了初步见解。Hernandez等人（2021年）使用网络分析研究了佛罗里达灌木生态系统中原核生物和真菌网络的负-正凝聚力，结果与SGH的预测一致。
病毒作为微生物群落的关键组成部分，因其显著的定植和调控能力而受到越来越多的关注（Jansson和Wu，2023年；Zhou等人，2025年）。病毒通过不成比例地感染快速生长的分类单元（r-策略），在微生物群落中发挥自上而下的调控作用（Albright等人，2022年；Liu等人，2023年）。Gomez和Buckling在土壤系统中的研究表明，病毒-宿主动态与选择压力波动一致。由于细菌在土壤中的抗性成本高于液体环境，宿主优先放弃对先前噬菌体的抗性，同时增强对当前噬菌体的抗性（Gómez和Buckling，2011年）。病毒可以通过“淘汰胜者”机制减少优势宿主的丰度，从而为稀有物种创造机会占据空缺的生态位（Thingstad，2000年）。因此，病毒在维持宿主多样性和调节微生物网络关系中起着关键作用（Braga等人，2020年；Marantos等人，2022年）。溶原性病毒通过修改宿主代谢过程增强宿主的免疫力和抗逆性（Huang等人，2021年）。例如，温带噬菌体的感染促进了Bacillus在土壤中产生胞外多糖并形成生物膜（Koskella和Brockhurst，2014年；Schuch和Fischetti，2009年）。当宿主面临胁迫时，病毒倾向于采用溶原性生活方式，有助于宿主生存，这与“搭便车者”假说一致（Knowles等人，2016年）。在物理结构化的土壤环境中，温带噬菌体通过抑制周围敏感细菌的生长，为其宿主细菌提供资源竞争优势（Stewart和Levin，1984年）。由于病毒对其宿主的双重调控作用，将病毒纳入研究将增加沿胁迫梯度预测微生物群落相互作用的复杂性。
在这项研究中，我们利用微生物组成数据和宏病毒组测序构建了相关网络，初步探讨了SGH在微生物相互作用中的适用性。我们假设随着盐碱胁迫的加剧，真菌、细菌、古菌和病毒之间的正向相互作用会增加。验证这一假设将丰富SGH的维度，因为病毒具有双重调控作用。相比之下，传统的SGH预测沿胁迫梯度会从竞争转向促进。迄今为止，SGH的验证主要在自然条件下进行；关于农田生态系统的研究仍然非常有限。农田生态系统具有强烈的人类干扰、可控的基质输入、动态的微生物相互作用以及科学和应用价值，是一个理想的模型系统（Foley等人，2005年）。确定SGH在农田生态系统中的适用性对于未来农业的可持续发展和退化耕地的恢复至关重要。
研究地点描述和土壤采样
2023年7月20日至22日期间，从中国吉林省松嫩平原的白城市（东经123.11°，北纬45.13°；海拔123米）收集了27个采样单元。这些单元包括玉米、高粱和向日葵植株各9株及其相关的根际土壤。实验采用重复地块设计，每种作物在三个不同的盐度水平下种植，盐度水平根据土壤电导率（1:5的土水比）确定：低（< 100
盐碱条件下土壤性质与植物指标的相互作用
调查区域的根际土壤pH值范围为6.37至8.86，总盐含量范围为0.11%至0.99%，可交换钠浓度范围为0.34至14.00 cmol+/kg（图S2）。有机碳（SOC）含量在4.07至20.64 g/kg之间，总氮（TN）含量在0.41至1.65 g/kg之间（表S2）。双向方差分析（ANOVA）显示，SOC、TN和NN均受到胁迫和植物类型的显著影响（表S3）。胁迫和植物类型显著改变了植物
基于病毒颗粒富集的盐碱土壤中病毒组的分析
在盐碱化加剧的农田中，生态位缩小使得微生物活动集中在植物根部，根际沉积物成为微生物活动的热点（Xun等人，2024年）。根际微生物驱动养分能量循环，并在胁迫加剧的情况下增强其生态位重要性（Hernandez等人，2021年；Liu等人，2024b年）。本研究调查了根际真菌、细菌和古菌的响应
结论
土壤盐碱化影响了全球近60%的耕地，对全球粮食安全构成严重威胁（Hassani等人，2021年）。尽管形势严峻，但在农田中发展并验证生态理论仍然有限。通过共现网络，本研究详细探讨了随着胁迫梯度增加，跨界和界内生物相互作用的变化。此外，纳入病毒群落为
CRediT作者贡献声明
方莉：撰写初稿。朱彪：概念构思。王毅：数据管理。李佩佩：资源协调。郭书文：数据可视化。赵金华：实验设计。吴林伟：概念构思。徐长林：概念构思
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
资助
本研究得到了中国科学院、河南省优秀青年自然科学基金（242300421147）和国家自然科学基金（42377334和32425038）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
