《European Journal of Soil Biology》：Functional divergence in the rhizosphere microbiome of
Codonopsis pilosula drives a soil carbon allocation trade-off
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本研究分析了党参六种品种对根际微生物群落的影响，揭示品种差异导致土壤有机碳（SOM）与微生物生物量碳（MBC）的权衡关系，并发现BT品种具有快速碳周转特征，而WD和WY3倾向于碳积累，为药用植物种植和微生物调控提供理论依据。
罗文|郭亚丽|王志虎|王文英|李园丽|刘莉莉|王文娟|罗明|王永刚
兰州理工大学生命科学与工程学院，中国兰州，730050
摘要
根际微生物在土壤有机碳动态中起着关键作用；然而，在植物种内变异的情况下，它们与土壤碳循环的关系仍不明确，特别是对于具有不同代谢特性的药用植物而言。在这里，我们研究了六种Codonopsis pilosula（BT、CD、WD、WY1、WY3、WY4）通过调节根际微生物群落如何影响土壤有机质（SOM）和微生物生物量碳（MBC）之间的权衡。结果表明，不同品种之间的SOM和MBC之间存在显著的负相关（P = 0.0025）。BT品种表现出快速的碳转化特征，表现为低SOM、高MBC和增强的过氧化物酶活性。相比之下，WD和WY3采取了碳积累策略，维持高SOM同时具有中等至低的MBC。植物品种成为构建根际细菌和真菌群落的主要因素。BT品种特别富集了参与顽固碳降解的类群，如Nitrospira和Chryseolinea。功能预测进一步显示BT微生物组中硝化作用和木质素降解途径得到富集，而WY4中反硝化作用较为突出。网络分析强调了SOM、MBC和碳循环酶与微生物网络模块之间的强烈关联，表明环境因素通过微生物组相互作用调节碳过程。我们的发现揭示了植物遗传变异通过根际群落重构介导土壤碳分配的机制，为基于基因型的育种和微生物组管理以优化土壤碳封存提供了基础。
引言
土壤有机质（SOM）是陆地土壤碳库的基本组成部分，是决定土壤肥力、碳封存能力和整体生态系统稳定性的关键因素[1]。作为土壤健康的重要指标[2]，SOM不仅支持养分保持和水分调节，还与土壤生物密切相互作用，从而影响微生物多样性和功能[3]。SOM的动态与土壤微生物密切相关，后者通过其代谢活动充当碳的来源和汇[4]。虽然SOM为微生物生长提供了主要底物——通常导致与微生物生物量碳（MBC）的正相关——但新兴证据表明，在某些生态背景下，SOM和MBC的积累之间可能存在权衡[5]。这种权衡表明，土壤碳在功能池之间的分配可能受到生物学调控。
MBC是土壤有机碳中的易变部分，通过其在分解和生物地球化学循环中的核心作用，既作为养分的驱动因素也作为储存库[6]。因此，MBC的动态与SOM的封存和矿化密切相关。此外，土壤微生物群落的组成和多样性支撑了生态系统的多功能性和稳定性[7]，其结构对土壤条件的变化非常敏感。
根际作为受植物根系活动强烈影响的土壤微区域[8]，是植物-土壤-微生物相互作用的热点[9]。植物通过招募特定的微生物群落以个性化的方式塑造其根际微环境[10]。这种“根际招募效应不仅影响养分获取，还可能深刻影响土壤碳的转化和命运。植物可能通过招募特定的分解者群落来调节SOM的降解速率[11]，从而影响碳是倾向于快速转化为微生物生物量还是长期封存在顽固有机质中[12]。尽管在作物中已有对此假设的初步探索[13]，但在经济价值高的药用植物中，尤其是那些表现出显著品种差异的物种中，相关研究仍然很少[14]。此外，植物次生代谢产物的合成和积累受到根际微环境的深刻影响[15]。与碳和氮循环相关的微生物功能可能通过调节养分可用性和信号分子间接影响植物的代谢投资策略[16]。然而，不同的C. pilosula品种是否通过不同的根际碳分配模式进一步影响其药用成分的积累仍不清楚。
C. pilosula是一种主要的传统中药草本植物[17]，其质量和产量与其根际土壤环境密切相关[18]。在生产实践中，不同品种在生长特性和药用成分含量上存在显著差异，这可能是由于它们根际微生物生态系统的差异[19]。然而，不同C. pilosula品种是否以及如何通过调节其根际微生物群落来驱动土壤碳循环——特别是通过调节SOM和MBC的分配——仍然是一个重要的未解决的科学问题。基于此，提出了以下科学假设：（1）不同的C. pilosula品种形成独特的根际微生物群落结构；（2）这些特定的微生物群落通过不同的酶活性和功能潜力驱动SOM和MBC的不同分配模式；（3）核心微生物群体与环境因素形成紧密的相互作用网络，共同调节碳循环过程。为了验证这些假设，本研究选择了六种代表性的C. pilosula品种，并结合了土壤生态学、微生物高通量测序、生物信息学和多变量统计分析来：（1）阐明不同C. pilosula品种之间根际SOM、MBC和碳相关酶活性的差异特征；（2）解析品种对根际细菌和真菌群落结构和多样性的影响；（3）识别核心微生物群体并预测其功能差异；（4）揭示关键土壤环境因素、微生物群落结构和功能之间的相互作用。本研究旨在从微生物生态学的角度揭示植物品种驱动根际碳循环的新机制，为靶向调节根际微环境以实现药用植物的绿色高效栽培提供理论支持。
实验材料
实验材料
从甘肃省岷县的一个黄土种植基地采集了六个不同品种的C. pilosula及其根际土壤样本。所有一年生植物（详见补充表S1）都在统一条件下生长：黄土土壤、基础施用农家肥以及遵循当地做法的一致田间管理[20]。采用随机区组设计，每个品种有六个重复地块（3 × 3米，间距50米）。从每个地块中采集六个均匀的
品种对SOM、微生物碳及相关酶含量的影响
六个C. pilosula品种的土壤碳库和酶活性存在显著差异（图1A）。BT品种的SOM最低，但MBC最高，而WD、CD、WY3和WY4品种的SOM较高，MBC介于中等至较低水平。相应地，BT品种的蔗糖酶和过氧化物酶（POD）活性最高，而WD和WY1的纤维素酶活性最为显著。所有品种之间的SOM和MBC之间存在显著的负线性相关（R2 = 0.4444，P
不同C. pilosula品种根际中的微生物招募驱动碳分配权衡
本研究的一个核心发现是不同C. pilosula品种根际中SOM和MBC之间存在显著的负相关[27]。这一发现挑战了高SOM含量必然对应于高微生物生物量的传统观点[28]。具体来说，BT品种表现出“低SOM–高MBC–高POD”的模式，而WD和WY3等品种则表现为“高SOM–中等至低MBC”的特征。这些结果表明C. pilosula
结论
本研究表明，C. pilosula的种内变异驱动了根际碳分配的基本权衡，这一过程由宿主特异性的功能不同微生物群落的组装介导。我们发现不同品种协调了不同的碳循环策略；这种差异表现为高碳转化策略，以BT品种为代表，其特征是顽固有机物的快速分解、高MBC和升高的POD活性，
CRediT作者贡献声明
罗文：撰写——初稿，正式分析，方法学。郭亚丽：撰写——初稿，正式分析，方法学。王志虎：可视化，方法学，撰写——初稿。王文英：方法学，调查。李园丽：资源，数据管理。刘莉莉：资源，调查。王文娟：数据管理，验证。罗明：正式分析，资金获取，项目管理，资源，监督。王永刚：正式分析，资金
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：32160066）、中国科学院“西部之光”青年学者计划（编号：25JR6KA007）、甘肃省重点研发计划（编号：23YFNG0003；25YFNJ001）、甘肃省联合自然科学基金项目（编号：24JRRA831）、甘肃省自然科学基金（编号：25JRRA066、25JRRA070、22JR5RA263）、甘肃省陇原青年人才计划的支持
