鞘氨醇单胞菌接种调控根际微生态以缓解甜菜连作障碍的效应与机制解析

《Frontiers in Microbiology》：Effects of Sphingomonads on sugar beet growth and rhizosphere microbiota under continuous cropping

本研究通过盆栽试验，探究了三株鞘氨醇单胞菌（Sphingomonads）菌株（Sphingobium abikonense W2、Sphingomonas panni W9 和 Sphingomonas sp. W13）及其混合菌悬液对连作甜菜幼苗生长、土壤性质及根际微生物群落的影响。结果表明，接种显著提升了甜菜农艺性状和养分吸收，改善了土壤pH、速效钾含量和蔗糖酶（SUC）活性。高通量测序分析揭示，接种重塑了根际微生物群落结构，降低了细菌α多样性，提升了真菌多样性，并显著富集了假单胞菌门（Pseudomonadota）及有益菌属（如 Pseudomonas、Cupriavidus、Massilia）。功能预测显示，接种增强了脲水解（ureolysis）和水聚糖水解（xylanolysis）等关键代谢功能。该研究为利用鞘氨醇单胞菌作为生防菌剂缓解甜菜连作障碍提供了理论依据和潜在策略。

　　

引言

甜菜是全球重要的糖料作物，其产量和品质易受连作障碍的影响。长期连作会导致土壤理化性质恶化、酶活性改变、病原微生物积累及自毒物质增加。利用植物根际促生菌（PGPR）进行生物防治是缓解连作障碍的有效策略。鞘氨醇单胞菌（Sphingomonads）是一类广泛分布于根际的α-变形菌纲细菌，在植物-微生物互作中扮演重要角色，但对其在缓解甜菜连作障碍中的作用机制尚不清楚。本研究旨在评估三株筛选自连作土壤的鞘氨醇单胞菌菌株对甜菜连作障碍的缓解效果，并解析其对根际微生态系统的调控机制。

材料与方法

本研究以甜菜品种‘KWS1260’为材料，土壤采自黑龙江哈尔滨呼兰区具有两年甜菜连作历史的黑土。试验设置6个处理：轮作土阳性对照（NC）、连作土阴性对照（CK）、以及分别接种菌株W2、W9、W13及其混合菌悬液[W(2+9+13)]的连作土处理。在生长室中进行盆栽试验，于播种后第7、14、21天进行根际浇灌接种。播种28天后收获，测定植株农艺性状（株高、茎粗、地上部和根鲜重）及氮磷钾含量。同时，采集根际与非根际土壤，测定土壤pH、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、速效磷（AP）、速效钾（AK）含量以及脲酶（URE）、磷酸酶（PHO）、蔗糖酶（SUC）、过氧化氢酶（CAT）活性。利用Illumina NovaSeq平台对土壤样品细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS1区进行高通量测序，分析微生物群落结构、多样性及功能预测。

结果

1. 1.
   土壤性质与农艺性状
   接种处理显著促进了连作甜菜幼苗的生长。与CK相比，所有接种处理的株高、茎粗、地上部和根鲜重均显著增加，部分指标甚至超过NC处理。在养分吸收方面，接种处理（尤其是W13）显著提高了植株的氮、磷、钾含量。土壤理化性质方面，接种处理显著提高了连作土壤的pH值和速效钾（AK）含量，部分缓解了连作引起的土壤酸化。土壤酶活性响应呈现酶特异性：所有接种处理均显著提高了蔗糖酶（SUC）活性；磷酸酶（PHO）活性在W13处理中提升最显著；脲酶（URE）活性在W9和W2处理中显著增强。
2. 2.
   微生物群落的α与β多样性
   微生物α多样性分析表明，与CK相比，鞘氨醇单胞菌接种降低了根际细菌群落的丰富度（Ace指数）和多样性（Shannon指数），但提升了真菌群落的多样性。主坐标分析（PCoA）显示，所有接种处理均显著改变了细菌和真菌的群落结构（Bray-Curtis距离）。混合菌悬液处理对群落结构的改变最为显著，与CK及单菌处理形成了明显分离。
3. 3.
   微生物群落结构变化
   在细菌门水平，假单胞菌门（Pseudomonadota）为最优势类群，接种处理（尤其是混合处理）显著提高了其相对丰度，甚至超过了NC处理。在细菌属水平，接种处理显著富集了有益菌属，如假单胞菌属（Pseudomonas）、贪铜菌属（Cupriavidus）、马西利亚菌属（Massilia）和新鞘氨醇菌属（Novosphingobium）。在真菌群落中，接种处理普遍降低了担子菌门（Basidiomycota）的相对丰度，提高了子囊菌门（Ascomycota）的丰度，并使真菌群落结构向NC处理靠拢。
4. 4.
   处理间生物标志物差异分析
   LEfSe分析揭示了不同处理间特异的微生物生物标志物。在细菌群落中，连作对照（CK）富集了酸杆菌门（Acidobacteriota）和链霉菌属（Streptomyces）等与贫瘠环境相关的类群。轮作（NC）则富集了拟杆菌门（Bacteroidota）和根瘤菌属（Rhizobium）等有益类群。接种处理后，不同菌株诱导了独特的生物标志物谱。混合接种处理[W(2+9+13)]富集了最多样化的生物标志物，包括假单胞菌门、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和红球菌属（Rhodococcus）。在真菌群落中，混合接种处理也表现出最强的调控能力，富集了包括新赤壳属（Neocosmospora）和镰刀菌属（Fusarium）在内的多种真菌类群。
5. 5.
   微生物群落结构的环境驱动因子
   Mantel检验和Spearman相关分析表明，土壤真菌群落结构比细菌群落更易受环境因子影响。电导率（EC）、铁（Fe）、锰（Mn）和蔗糖酶（SUC）活性是影响微生物群落（尤其是关键属）的重要环境因子。例如，假单胞菌属（Pseudomonas）与EC和SUC呈显著正相关，而新赤壳属（Neocosmospora）和镰刀菌属（Fusarium）与Fe、Mn、SUC等因子呈显著正相关。
6. 6.
   微生物群落功能预测
   基于FAPROTAX数据库的细菌功能预测显示，接种处理对优势的化能异养（chemoheterotrophy）功能影响有限，但显著调控了多个特定功能。其中，脲水解（ureolysis）和水聚糖水解（xylanolysis）功能显著增强，而与动物寄生虫/共生体、人类病原体相关的功能则受到抑制。基于FUNGuild数据库的真菌功能预测表明，接种处理改变了真菌的营养类型组成，使部分功能群（如“动物病原体-粪腐生菌-内生菌-附生菌-植物腐生菌-木材腐生菌”）的相对丰度向轮作土壤（NC）的状态恢复。

讨论

本研究证实，接种鞘氨醇单胞菌菌株W2、W9、W13及其混合物能有效促进连作甜菜幼苗生长，改善土壤理化性质。其促生机制并非单纯依赖引入菌株自身的增殖，更重要的是通过重塑根际微生态系统来实现。接种显著改变了微生物群落结构，降低了细菌多样性但提升了真菌多样性，并富集了以假单胞菌属（Pseudomonas）为代表的有益细菌类群。这种群落结构的改变与土壤环境因子（如pH、SUC、Fe、Mn）的变化紧密耦合。功能预测结果进一步表明，接种增强了与土壤碳氮循环相关的关键代谢功能（如ureolysis和xylanolysis），同时抑制了潜在有害功能。这些变化共同导向一个更具功能稳定性的根际微生态系统。

值得注意的是，混合菌悬液处理在调控微生物群落结构（尤其是真菌群落）和功能方面常表现出比单菌处理更强或更独特的效果，暗示了菌株间可能存在协同作用。然而，本研究中混合处理对部分土壤酶活性的效应并非单菌效应的简单叠加，表明菌株互作可能产生复杂的调控网络。

综上所述，鞘氨醇单胞菌通过“土壤改良-微生物群落调控-功能优化”的级联途径缓解甜菜连作障碍。这为开发以鞘氨醇单胞菌为核心的功能性微生物肥料，实现甜菜连作障碍的绿色防控提供了重要的理论依据和微生物资源。未来研究需通过长期田间试验和多组学联用，进一步验证其实际应用效果并深入解析其分子机制。