《Frontiers in Plant Science》：Gynoecious and monoecious cucumbers drive the assembly of different rhizosphere microbial communities
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本文综述了黄瓜（Cucumis sativus L.）雌性系与雄性系品种如何塑造差异化的根际微生物群落结构及其潜在功能。通过比较分析，研究发现两性类型在关键细菌（如Sphingomonas、Rokubacteriales）和真菌（如Aspergillus、Trichoderma）类群上存在显著富集，其微生物共现网络稳定性与功能预测（如氮循环、烃类降解）也截然不同。文章深入探讨了根际微生物可能通过激素代谢（如乙烯、赤霉素）和营养供给途径反馈调节黄瓜性别分化的机制，为理解植物-微生物互作在关键农艺性状形成中的作用提供了新视角。
引言
黄瓜的性别表达是决定产量的关键农艺性状，主要表现为雌性系（仅着生雌花）和雄性系（雌雄同株异花）两种类型。性别分化受遗传、激素和环境因素的复杂网络调控，其中乙烯是关键的雌性化激素，而赤霉素（GA）则主要促进雄性分化。植物-微生物互作是植物生理学的核心，根际微生物组作为植物的“第二基因组”，通过养分获取、激素调节和病原抗性等深刻影响宿主生长。然而，在黄瓜中，性别类型是否及如何塑造根际微生物组，以及这些微生物是否反馈影响性别分化，此前尚不明确。
材料与方法
研究于2024年3月至5月在广西大学农学院蔬菜教学科研基地进行。供试土壤为赤红壤。使用了三个雌性系品种（‘欧陆巴一号’、‘美翠808’、‘水果黄瓜F1’）和三个雄性系品种（‘珍翠101’、‘天翠’、‘真好齿节节瓜’）。试验采用完全随机区组设计，统一管理。在五月采集了根际土壤（紧贴根表的土壤）样本，并以未种植黄瓜的土壤作为背景对照（CK）。总基因组DNA提取后，分别针对细菌的16S rRNA基因V3-V4区（引物338F/806R）和真菌的ITS1区（引物ITS1F/ITS2R）进行PCR扩增，并在Illumina MiSeq PE300平台上进行高通量测序。生物信息学分析包括：在97%相似度下聚类为操作分类单元（OTU）、使用SILVA和UNITE数据库进行物种注释、计算Alpha和Beta多样性指数，并利用LEfSe分析寻找标志性物种。微生物共现网络基于斯皮尔曼相关系数构建。细菌和真菌群落的潜在功能分别通过FAPROTAX和FUNGuild数据库进行预测。
结果
根际土壤细菌和真菌的Alpha与Beta多样性
所有样本的Coverage值均超过96%，表明测序深度足够。Alpha多样性指数（如Shannon、Chao1）在雌性系和雄性系黄瓜的根际土壤间均无显著差异，但两者与背景土壤（CK）的丰富度指数存在显著不同。然而，基于Bray-Curtis距离的主坐标分析（PCoA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）显示，无论是细菌还是真菌群落，雌性系、雄性系和CK三组间的结构均存在显著分离（PERMANOVA检验，P = 0.001）。这表明黄瓜的性别类型显著影响了根际微生物群落的组成结构，而非整体物种数量。
雌性系与雄性系黄瓜根际差异化的微生物群落结构
韦恩图分析显示，各黄瓜品系根际存在大量独特的细菌和真菌OTU。在门水平上，尽管两者前三大细菌门（变形菌门、放线菌门、绿弯菌门）一致，但雄性系根际独特富集了疣微菌门。在属水平上，雌性系根际显著富集的细菌包括鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）以及一些未分类的类群；而雄性系根际则显著富集了Rokubacteriales目的成员以及未分类的KD4-96纲（属于绿弯菌门）类群。LEfSe分析进一步确认了这些标志性类群。
真菌群落方面，子囊菌门在雌性系根际显著富集。关键标志性真菌属包括：雌性系根际的曲霉属（Aspergillus）、织球壳属（Plectosphaerella）和毛壳属（Chaetomella）；以及雄性系根际的木霉属（Trichoderma）、翅孢壳属（Emericellopsis）、颈壳菌属（Collariella）和棒孢属（Cordana）。
根际微生物共现网络特征
共现网络分析表明，雄性系黄瓜根际的微生物网络（尤其是细菌群落）比雌性系的更为复杂和稳定。具体表现为：雄性系细菌网络具有更多的连接边数、更高的平均度、更高的平均聚类系数以及更小的网络直径。真菌网络也呈现出类似的趋势。这意味着雄性系根际微生物物种间的互作更为紧密，群落结构可能更具弹性。
根际土壤微生物群落的功能预测
功能预测揭示了两种性别类型根际微生物截然不同的代谢潜能。基于FAPROTAX的细菌功能分析显示，雌性系根际显著富集了多种氮循环过程，包括硝化作用、好氧亚硝酸盐氧化、亚硝酸盐和硝酸盐的氨化、好氧氨氧化以及砷酸盐呼吸。相反，雄性系根际则显著富集了多种烃类降解功能，特别是芳香族和脂肪族非甲烷烃的降解。
对于真菌群落，FUNGuild营养型分析表明，雌性系根际拥有更高比例的腐生营养型和共生营养型真菌，而雄性系根际则拥有更高比例的病原营养型真菌。
讨论
研究结果表明，黄瓜性别类型对根际微生物群落施加了选择压力，可能通过不同的根系分泌物和养分吸收模式，塑造了性别特异性的微生物组合。这些性别特异性微生物不仅反映了宿主驱动的生态位分化，还可能通过代谢和信号相互作用，反馈调节宿主的生殖发育。
雄性系根际富集的甲基螨菌门、KD4-96谱系和“Candidatus Rokubacteria”等细菌类群，以其甲烷氧化、硝酸盐还原和有机物分解的代谢能力而闻名。这可能调节根际氧化还原条件，提高氮有效性，进而促进赤霉素（GA）的生物合成，从而有利于雄性器官发育。同时，富集的木霉属（Trichoderma）等拮抗性真菌可以分泌乙烯和细胞分裂素，可能在平衡生殖发育与环境适应中起关键作用。
相反，雌性系根际以鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、糖霉菌目（Saccharimonadales）以及子囊菌门真菌（如曲霉属）为主。这些微生物具有吲哚-3-乙酸（IAA）生物合成能力和1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶活性，可调节IAA-乙烯信号通路，促进雌花形成。糖霉菌目与碳代谢和信号分子合成密切相关，可能为雌花发育提供能量和信号前体。功能预测中雌性系根际富集的氮氧化相关途径，可能为乙烯生物合成提供能量和前体，共同创造了一个有利于雌性化的根际微环境。
总体而言，雌性系黄瓜的根际微生物组可能通过氮氧化和促激素代谢途径增强乙烯和生长素信号，从而促进雌花形成。而雄性系黄瓜相关的微生物组则倾向于参与烃类代谢和胁迫相关功能，可能维持与GA相关的代谢和防御平衡，以促进雄花发育或维持两性共存。根际微生物群落不仅反映了不同性别类型的生态适应，还可能通过代谢和信号相互作用，主动参与植物性别分化的调控网络。
结论
雌性系黄瓜根际显著富集鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、未分类的JG30-KF-CM45科类群以及糖霉菌目（Saccharimonadales）成员等细菌，以及曲霉属（Aspergillus）、织球壳属（Plectosphaerella）和毛壳属（Chaetomella）等真菌。雄性系黄瓜根际则显著富集未分类的KD4-96纲类群、“Candidatus Rokubacteria”成员，以及木霉属（Trichoderma）、翅孢壳属（Emericellopsis）、颈壳菌属（Collariella）和棒孢属（Cordana）等真菌。雄性系植物根际微生物共现网络（尤其是细菌群落）比雌性系更为复杂和稳定。功能预测进一步揭示，雌性系根际细菌群落富含硝化、好氧亚硝酸盐氧化、氨化等多种氮循环过程，而雄性系根际则显著富集芳香族和脂肪族非甲烷烃的降解功能。此外，与雄性系相比，雌性系黄瓜根际拥有更高丰度的腐生和共生营养型真菌，但病原营养型真菌的丰度较低。这些发现共同证明，雌性系和雄性系植物根际微生物群的组成和潜在功能存在差异，表明根际土壤微生物可能在黄瓜品种的性别表达中扮演着重要角色。
