《Microorganisms》：Halophyte-Specific Rhizosphere Effects Drive the Differentiation of Microbial Community Assembly in a Desert-Grassland Salt Marsh
Rong Wang,
Jinpeng Hu,
Jialu Li,
Zixuan Chen,
Bahetijiang Ayala,
Xigang Liu,
Peng Kang and
Yaqing Pan
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这篇研究揭示了在干旱盐沼生态系统中，三种典型旱生植物（K. cuspidatum、N. tangutorum、R. soongarica）通过其根际效应，差异化调控土壤微环境，从而驱动了独特的细菌-真菌（bacterial–fungal）共现网络组装模式。该工作系统阐明了盐胁迫下植物-微生物互作的生态学机制，为基于植物-微生物联合体的盐碱地治理和湿地生态恢复提供了重要理论依据。
1. 引言
在干旱地区的盐沼生态系统中，旱生植物并非均匀分布，而是遵循严格的生态梯度，呈现明显的条带状或斑块状格局。从盐沼核心区到水陆交错带，随着土壤盐分、水分条件和地下水位的变化，分布着不同耐盐等级的植物，例如芦苇（Phragmites australis）、盐爪爪（Kalidium cuspidatum）、白刺（Nitraria tangutorum）、红砂（Reaumuria soongarica）和柽柳（Tamarix chinensis）。它们共同构成了干旱地区珍贵的绿色生命带。这种分布格局不仅是植物对环境胁迫适应和选择的结果，也是维持该生态系统稳定的核心。这些旱生植物通过其密集的根系固定流沙和盐渍土，有效缓解土壤风蚀和水蚀，是抵御荒漠化的前线屏障。其庞大的生命形式还能固定大气中的碳，成为重要的碳汇。因此，旱生植物在干旱地区盐沼中的生存与分布，直接决定了该生态系统的结构、功能与稳定性。深入研究这些物种，是生态恢复和生物多样性保护的科学基础。
植物的根际微生物作为连接植物与土壤的纽带，共同构成了一个复杂且动态平衡的根际微生态系统。与普通植物相比，旱生植物的根际形成了一个高度特化的“胁迫筛选环境”，从而富集了一类兼具优异耐盐促生功能的微生物类群。细菌群落，如芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas），通过固氮、解磷、分泌渗透调节物质和ACC脱氨酶等方式，直接协助植物抵抗盐胁迫、改善其营养状况。真菌群落（特别是丛枝菌根真菌）扮演着“地下网络工程师”的角色，其庞大的菌丝网络极大地扩展了根系的吸收范围，帮助植物在广阔的盐渍土中更高效地获取水分和磷等扩散较弱的养分。这种以旱生植物为主体、细菌与真菌精准协作的根际微生态系统，是其能在严酷盐碱环境中成功生存并发挥生态恢复功能的核心，也为发展基于植物-微生物联合体的盐碱地治理策略提供了关键的生物学基础。
植物根际的细菌和真菌并非孤立存在，通过复杂的相互作用，它们形成了一个精密的“细菌-真菌共现网络”。该网络基于高通量测序和生物信息学分析构建，通过统计分析物种间的共现与互斥关系，直观揭示微生物群落内部的组织结构和生态联系。微生物网络的复杂性与群落的功能稳定性和环境适应性直接相关。在旱生植物所处的逆境环境中，一个连接更紧密、更稳定的共现网络通常意味着微生物群落能更高效地协作，帮助宿主植物抵抗盐胁迫、获取养分，从而表现出更强的生态恢复力。因此，分析这种共现网络是理解根际微生物群落组装规则、功能协同及其对植物健康影响机制的核心环节。
本研究选取了盐爪爪、白刺和红砂这三种代表性物种。旨在系统揭示其根际土壤中细菌和真菌群落的组成、多样性及结构特征。利用高通量测序技术，结合根际理化参数，探究不同旱生植物根际微生物群落结构的差异，旨在通过分析细菌-真菌共现网络来表征盐渍化生境中旱生植物与根际微生物的关联。
2. 材料与方法
2.1. 研究区概况与根际土壤采集
研究地点位于宁夏盐池县的碱滩湿地。属于典型的荒漠草原盐沼湿地生态系统，海拔1398 m，年均气温7.8 °C，年降雨量约280 mm，蒸发量超过2000 mm。湿地从水陆交错带延伸至荒漠草原，主要分布着盐爪爪、白刺、红砂、苦豆子和高加索针茅等植物。本研究调查了三种旱生植物：盐爪爪、白刺和红砂。将附着在植物根系上的土壤抖落收集，定义为根际土壤。从每种旱生植物的根际土壤中共采集18个样本，三个样本作为一个混合样，总计六个样本。使用移动冰箱将土壤样本运送至实验室。在实验室过筛后，测定土壤的物理化学参数和微生物生物量，并提取土壤DNA。
2.2. 土壤理化性质测定
采用称重法测定土壤含水量（SWC）。样品风干后，加入去离子水（土水比=1/2.5）搅拌均匀，使用pH计和电导率仪测定土壤的pH值和电导率（EC）。使用火焰光度计测定土壤Na+和K+含量。风干土样过筛（0.15 mm）后，使用TOC-VSeries SSM-5000A测定组件测定土壤总碳（TC）和无机碳（TIC）含量。TC减去TIC的值即为土壤总有机碳（TOC）。同样，使用元素分析仪测定土壤总氮（TN）含量，采用硫酸-钼-镝抗比色法测定土壤总磷（TP）含量。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮（AN），采用碳酸氢钠法提取和测定有效磷。用NaHCO3提取土壤样品后，采用钼蓝比色法测定Olsen磷（OP）含量。
2.3. 土壤微生物生物量测定
用氯仿（CHCl3）熏蒸新鲜土样，分别用K2SO4提取熏蒸和未熏蒸的土壤，测定土壤中的可溶性有机碳（DOC）和总氮，分别计算微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）。土壤微生物磷含量采用钼蓝比色法测定。MBC的计算公式为：MBC = (DOCfumigation? DOCnon-fumigation)/0.45，MBN的计算公式为：MBN = (TNfumigation? TNnon-fumigation? Nfumigation)/0.54。
2.4. DNA提取、扩增子测序和数据分析
使用试剂盒从土壤中提取总基因组DNA。使用引物338F/806R扩增细菌16S rRNA基因的V3-V4高变区，使用引物ITS1F/ITS2R扩增真菌ITS1区域。将纯化后的扩增子进行Illumina NovaSeq平台测序。使用USEARCH和VSEARCH对原始序列进行质控、去噪、去除嵌合体，然后以97%的相似性聚类为操作分类单元（OTU）。使用SILVA和UNITE数据库对OTU进行物种注释。使用R语言计算Alpha多样性指数（如Chao1、Shannon）。基于Bray-Curtis距离进行主坐标分析（PCoA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）来评估群落结构差异。使用Mantel检验分析环境因子与微生物群落结构的相关性。在属水平上，选取相对丰度排名前50的细菌和真菌属，进行冗余分析（RDA）以识别关键驱动因子。
2.5. 微生物共现网络构建与分析
基于Spearman相关系数，构建每种植物根际土壤的细菌-真菌共现网络。保留|r| > 0.6且p < 0.01的强相关性。使用Gephi软件进行网络可视化，并计算网络拓扑属性，包括节点数、边数、平均度、平均路径长度、聚类系数、模块性和正相关边比例等，以评估网络复杂性。
2.6. 统计分析
使用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验比较不同植物根际土壤理化性质、微生物生物量和Alpha多样性的差异。使用结构方程模型（SEM）分析土壤理化性质、微生物生物量、微生物多样性、优势菌门组成和网络复杂性之间的直接和间接因果关系。使用R语言的“lavaan”包进行SEM拟合，并通过卡方检验、比较拟合指数（CFI）、塔克-刘易斯指数（TLI）、近似误差均方根（RMSEA）和标准化均方根残差（SRMR）评估模型拟合优度。
3. 结果
3.1. 根际土壤理化性质与微生物生物量的差异
理化性质分析显示，不同旱生植物根际土壤微环境存在显著分化。盐爪爪根际土壤具有更高的pH值、Na+和K+含量。相比之下，红砂根际土壤的总碳（TC）、土壤有机碳（TOC）、碱解氮（AN）和微生物生物量（包括MBC和MBN）均显著更高。白刺根际土壤的各项指标多处于中间水平。这些差异表明，三种植物通过根系活动对根际土壤的化学性质和养分状况产生了特异性的调控。
3.2. 微生物群落组成与多样性
高通量测序分析揭示了细菌和真菌群落结构的显著差异。在细菌群落中，变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和绿弯菌门（Chloroflexi）是共同的优势门。真菌群落则以子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为主。群落多样性分析表明，盐爪爪根际土壤的真菌多样性（Shannon指数）显著高于红砂。PCoA和PERMANOVA分析证实，不同植物根际的细菌和真菌群落结构均存在显著差异。
3.3. 环境因子与微生物群落的关联
Mantel检验和RDA分析表明，微生物群落结构的变异与多种环境因子显著相关。Na+、Olsen磷（OP）、微生物生物量碳（MBC）和碱解氮（AN）是驱动群落分异的关键因子。在优势菌门中，脱硫菌门（Desulfobacterota）和被孢霉门（Mortierellomycota）对理化性质变异的解释力最高（>48%），凸显了它们在响应根际环境变化中的重要作用。
3.4. 微生物共现网络特征
网络分析显示，三种植物根际的细菌-真菌共现网络复杂性各异。红砂根际土壤的微生物网络具有最高的复杂度，拥有最多的节点（633个）和边（3300条），但其正相关边比例最低（21.58%）。盐爪爪和白刺根际网络的节点和边数较少，但正相关边比例较高。这表明红砂根际形成了规模庞大但竞争关系可能更复杂的微生物互作网络，而盐爪爪和白刺根际的微生物协作可能更为紧密。
3.5. 多因子驱动机制的结构方程模型（SEM）解析
结构方程模型（SEM）清晰地阐明了各因子之间的因果路径。模型表明，土壤物理性质（如含水量）通过负向调控化学性质（如盐分、养分）和微生物生物量，从而间接影响网络复杂性。而微生物多样性对优势菌门组成和网络复杂性均有直接的正向效应。该模型较好地拟合了数据，验证了“土壤性质→微生物生物量与多样性→群落组成→网络结构”这一逐级影响的生态学逻辑。
4. 讨论
本研究结果表明，在干旱盐沼生态系统中，不同的旱生植物通过其特异的根际效应，塑造了独特的土壤理化微环境，进而定向选择了差异化的微生物群落。盐爪爪倾向于富集耐高盐、高pH环境的微生物类群，而红砂则促进了养分循环活跃、微生物生物量高的微环境，其根际形成了尤为复杂的微生物互作网络，这可能与其在更严酷生境中需要更高效但竞争也更激烈的微生物协作有关。细菌-真菌共现网络的结构差异，直观反映了不同植物根际微生态系统中微生物互作策略的不同，这直接关系到群落的功能稳定性和生态恢复力。
5. 结论
本研究系统阐明了荒漠-草原盐沼中三种典型旱生植物根际微环境-微生物互作的差异化适应策略。研究发现，盐爪爪、白刺和红砂通过根际效应差异化地调节了土壤pH、盐离子、碳氮养分及微生物生物量，从而驱动了独特的微生物群落组装和细菌-真菌共现网络结构。其中，红砂根际形成了节点和连接数最多、但竞争性可能更强的复杂网络。结构方程模型揭示，土壤物理性质通过影响化学性质和微生物生物量间接调控网络复杂性，而微生物多样性则直接正向影响优势菌门组成和网络结构。该研究从微生物互作网络的新视角，深化了对旱生植物根际微生态系统适应机制的理解，为利用植物-微生物联合体进行盐碱湿地生态修复提供了重要的理论依据。
