《Microorganisms》：Rapid Bacterial Identification and Quantitative Antimicrobial Susceptibility Assessment from Positive Blood Cultures to Optimize Bloodstream Infection Management
Lucia Sliviaková Matú?ková,
Michala Vladárová and
Elena Nováková
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本文研究了低温胁迫对寒地粳稻(Oryza sativa var. japonica)根系生理、根际微生物群落和产量的影响。结果表明，复合低温胁迫（分蘖期+孕穗期，T3）对根系形态、功能（如根系氧化活性、伤流液速率）及氮素积累的抑制最强。研究揭示了低温驱动的根际养分（如土壤有机质SOM、全氮TN升高，而速效磷AP、速效钾AK降低）和微生物群落结构的变化，并通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)识别出关键功能基因(lacZ, fucK, rafA)，提出了不同耐冷性品种（耐冷型DN428和冷敏感型SJ10）通过“基因-微生物-功能”的差异化途径导致产量损失的新机制。
低温胁迫深刻影响寒地粳稻根系生理与根际微生物群落
低温胁迫是限制水稻生产的主要非生物胁迫之一。本研究在2023-2024年，选取两个耐冷性不同的粳稻品种——具有中等耐冷性的东农428(DN428)和低耐冷性的松粳10号(SJ10)，于分蘖期(T1)、孕穗期(T2)以及分蘖与孕穗复合期(T3)进行低温处理，系统探究了低温对水稻根系形态生理、根际土壤性质、微生物群落结构及功能的影响，旨在阐明其导致产量损失的机制。
低温处理显著抑制水稻根系生长与生理活性
低温处理显著抑制了所有处理组水稻的根系生长和生理活性。三因素方差分析表明，品种(V)和处理(T)对所有测定的根系性状均有极显著影响。低温反应指数(CRI)分析显示，与对照相比，T3处理的抑制作用最强，其次是T1和T2处理。冷敏感品种SJ10对低温处理的响应始终比DN428更敏感，其根系性状的下降幅度更大。例如，在T3处理下，SJ10的根长、根系氧化活性、伤流液速率、根系氮素积累量和生物量的CRI（占对照的百分比）分别比DN428低3.6-18.0%、2.4-8.1%、5.1-18.1%、5.1-17.7%和3.9-15.8%。这表明复合低温胁迫对根系的伤害最大，且品种间耐冷性差异显著。
低温处理显著降低水稻产量及其构成因素
产量及其构成因素受处理和品种的显著影响。与对照相比，T2处理下两个品种的有效穗数无显著差异，但在T1和T3下显著下降。千粒重在T2和T3下降低，但在T1下无变化。每穗粒数、结实率和产量在所有低温处理下均显著下降，下降幅度顺序为T3 > T2 > T1。SJ10表现出更高的敏感性，其减产幅度比DN428大4.0-5.3%。这证实了低温，特别是复合胁迫，对水稻最终产量构成具有决定性负面影响。
低温处理改变根际土壤pH值和养分含量
与对照相比，DN428和SJ10根际土壤的土壤有机质(SOM)、全氮(TN)和全磷(TP)含量在低温处理下增加；速效磷(AP)和速效钾(AK)显著下降，而pH值在所有生育期均无显著差异。这些变化的幅度具有处理依赖性，顺序为T3 > T2 > T1。例如，在成熟期，DN428的TN仅在T2和T3处理下显著增加，而SJ10在所有处理下均表现出显著增加。值得注意的是，与DN428相比，SJ10在成熟期表现出TP、SOM、AK和AP更大幅度的下降。这表明低温导致根际环境从矿化主导状态向养分固持转变，可能源于微生物活动和胞外酶活性受抑。
根际微生物群落对低温处理的宏基因组学分析
Alpha多样性分析显示，根际微生物群落对低温处理的响应具有阶段特异性。在抽穗期，群落多样性最脆弱，胁迫下显著降低。Beta多样性分析揭示了处理与对照之间微生物群落组成的显著分离，在T3处理下尤其明显。在门水平上，Anaerolinea在所有生育期样本中均占主导地位，但关键类群的相对丰度在处理下发生变化。例如，在分蘖期，两品种中Arthrobacter的丰度在T1下较对照显著降低。
将微生物特征与植物和土壤参数关联的混合效应模型表明，Actinomycetota和Euryarchaeota与根长、根表面积、根体积和伤流液速率显著正相关。而Thermodesulfobacteriota对根系性状有显著负效应。冗余分析(RDA)确定AK和AP是所有生育期塑造微生物群落结构的主导因子。
基于KEGG数据库的预测功能谱显示，在分蘖期和成熟期，“代谢途径”是主导的代谢通路。在减数分裂期，“氨基酸生物合成”、“辅因子生物合成”和“群体感应”通路在品种间存在显著差异。在抽穗期，“碳代谢”和“双组分系统”是关键通路。值得注意的是，与对照相比，“双组分系统”通路的相对丰度在DN428的低温处理下下降，但在SJ10中却增加。
微生物相关性网络分析显示，在DN428处理组中，Chloroflexota和Candidatus Rokubacteria是关键连接点。而在DN428对照组中，Actinomycetota、Thermodesulfobacteriota、Pseudomonadota和Acidobacteriota是主要枢纽。SJ10处理组的连接少于对照组，且连接点的角色发生了转变。这表明低温处理加强了Chloroflexota的网络角色，但削弱了Pseudomonadota和Actinomycetota的角色。
加权基因共表达网络分析识别与根系性状和土壤养分相关的关键模块与枢纽基因
对宏基因组数据与根系性状进行加权基因共表达网络分析(WGCNA)，共识别出28个基因模块。相关分析表明，MEbrown模块与根系氧化活性呈中度正相关。MEdarkturquoise模块与根表面积呈弱负相关。基于此，选择了MEbrown和MEdarkturquoise模块的KEGG直系同源(KO)条目进行深入分析。
在MEbrown模块中，枢纽基因包括susC(K21573)、lacZ(K01190)、fucK(K00879)、susD(K21572)、E3.2.1.22B, galA, rafA(K07407)和K09955。在MEdarkturquoise模块中，关键基因是BEST(K22204)、KCNQ1, KV7.1(K04926)、LRRN1_2_3(K24492)、TEX11(K24574)和VAV(K05730)。这些基因可能参与调控低温处理下的根系发育。
对基因与土壤参数进行的WGCNA同样产生了28个模块。MEblue模块与AP和AK强烈正相关，而MEgreen模块与AP和AK负相关。MEblue模块中的枢纽基因和MEgreen模块中的枢纽基因可能参与胁迫响应和养分循环调控。
低温处理下导致产量损失的整合通路
结构方程模型(SEM)描绘了品种特异性的通路。对于DN428，主要通路始于孕穗期(T2)和复合期(T3)的低温处理。这些处理显著影响了土壤微生物群落的Alpha多样性，进而影响了土壤有机质(SOM)含量。这一级联反应最终损害了根系生理和氮素积累，导致产量损失。
对于SJ10，通路更为复杂，涉及关键微生物基因。分蘖期的T1处理对关键微生物基因（如fucK、lacZ、rafA）的表达有显著的直接负效应。同时，T2和T3处理显著改变了微生物群落丰富度。这些不同的通路汇聚于一个关键节点：降低了土壤速效磷(AP)的有效性，随后强烈抑制了根系活性，最终导致严重的产量损失。
讨论：低温损害根系功能并限制产量
低温在兩個发育阶段均显著抑制了根系形态和生理性状，这与先前研究结果一致。品种间耐冷性差异明显，耐冷品种DN428在低温下根系形态生理性状的下降幅度小于SJ10，表明其能维持更优的根系形态，从而更高效地向地上部输送水分和养分。研究还观察到，即使在后期生长阶段，经历低温的植株其根系形态生理性状仍低于正常条件，表明低温处理不仅直接抑制关键阶段的根系生长和伸长，还加速了后续阶段的根系衰老。
低温处理是限制水稻产量的主要因素。本研究中，低温处理对不同处理的影响各异。与对照相比，T2的有效穗数无显著差异，而T1和T3则大幅下降。T1对千粒重的影响可忽略，但在T2和T3中观察到显著下降。低温还导致耐冷粳稻品种DN428的每穗粒数、结实率和理论产量下降，但下降幅度小于SJ10。
低温改变根际养分有效性
本研究揭示了低温胁迫引起的土壤pH和养分含量变化，为理解水稻品种特异的生理和微生物响应机制提供了关键土壤环境证据。所有处理组均表现出一致的模式：SOM、TN和TP含量显著增加，同时AP和AK含量显著下降。这表明低温处理下的根际环境正从矿化主导状态向养分固持转变。这很可能源于低温和制了微生物活性和胞外酶活性。根际微生物活性降低延迟了有机底物的分解，从而阻碍了土壤养分向植物有效形态的转化，最终限制了水稻关键生长阶段的养分有效性。
值得注意的是，本研究发现低温诱导土壤中TN积累，而其他长期冷胁迫研究则报告TN耗竭。这种表面上的矛盾很可能源于实验持续时间和强度的差异：短期或周期性低温主要抑制微生物矿化，导致TN以有机形式固定；而长期、持续的低温可能完全抑制微生物生物量和固氮作用，导致净TN消耗。此外，水稻品种通过改变根系分泌物组成等途径差异调节土壤固氮和转化过程。初始土壤理化性质强烈介导低温下的养分循环响应。这表明低温通过微生物过程和植物-微生物相互作用在特定环境背景下的联合效应来影响土壤氮库。
观察到的跨处理组的梯度响应与逐渐受抑的根系形态生理性状密切相关。T2和T3处理下SOM和TN的显著积累可能反映了根系养分吸收能力下降和微生物代谢活动减弱，导致有机化合物保留在土壤中。相反，AP和AK的下降则预示着养分供应限制的出现，可能加剧了两个水稻品种中观察到的生理性根系抑制。至关重要的是，水稻品种间的差异养分动态——特别是SJ10在AP、AK和TP含量上表现出比DN428更显著的下降——支持了先前关于SJ10对冷诱导根际功能障碍敏感性更高的推论。正如假设生成的结构方程模型结果所表明的，土壤养分状态的改变可能加剧了SJ10微生物群落结构的破坏。相比之下，DN428品种保持了相对较高的养分保留和有效性，其胁迫响应主要表现为关键微生物功能基因的下调，而未经历广泛的微生物群落崩溃。
微生物群落组成和功能基因受低温调控
本研究通过在水稻分蘖期和抽穗期进行低温处理，系统研究了低温处理对根际土壤微生物群落多样性的影响。结果表明，在抽穗期，SJ10品种根际微生物的ACE指数和Simpson指数在低温处理下均显著低于对照。这表明低温抑制了根际土壤微生物代谢和酶活性，从而减缓了TN和TP的矿化过程及其向有效养分（AP, AK）的转化，进而创造了土壤养分限制环境。这进一步抑制了依赖高养分周转率的微生物类群的生长，导致根际微生物群落Alpha多样性降低。本研究中，在分蘖期低温处理下两个品种中观察到的Actinomycetota丰度显著降低，可能与其在降解有机物和转化顽固化合物方面的功能作用受到抑制直接相关。
然而，其他研究表明，在非生物胁迫下，植物根系分泌物的组成可能发生改变，从而特异性刺激或选择性富集某些微生物类群，最终增加微生物群落多样性。本研究观察到，在分蘖期低温处理下，SJ10的ACE指数显著高于对照，而DN428在成熟期所有处理下Pseudomonadota门的相对丰度均显著升高。这些发现恰好支持了这一观点。这表明低温对微生物的影响并非单纯抑制，更可能是基于环境选择对群落进行的功能性重塑。值得注意的是，与一般的微生物胁迫响应（其中代谢基因参与基本适应）不同，本研究发现水稻根际中的lacZ、rafA和fucK特异性介导了微生物碳代谢与植物-微生物养分交换的耦合——促进微生物利用根系分泌物衍生的碳，同时为微生物胁迫抗性和根系生理功能持续供应能量（通过NADPH产生）。这种根际特异的功能关联将本研究结果与更广泛的微生物胁迫响应报告区分开来，突出了它们与水稻特异性冷适应的相关性。具有不同耐冷性的水稻品种可能通过调节根系分泌物，主动招募有益微生物以协助抗逆。这种重塑过程以微生物功能性状而非单纯的物种丰富度为中心。
加权基因共表达网络分析(WGCNA)在群落功能水平上进一步验证了这一观点。与根系形态生理性状相关性最强的MEbrown模块，富集了包括β-半乳糖苷酶(lacZ, K01190)、α-半乳糖苷酶(rafA, K07407)和L-岩藻糖激酶(fucK, K00879)在内的关键基因。这些基因分别参与半乳糖代谢和磷酸戊糖途径：前者是微生物碳利用的核心途径，而后者在冷胁迫下为细胞提供NADPH和碳骨架，从而抵抗氧化应激。这些潜在关键关联基因的显著富集表明，冷胁迫选择了拥有特化碳代谢和能量供应策略的微生物功能类群，从而驱动了群落内部的功能适应。先前的研究也证实，在北极永久冻土等寒冷生境中，具有相似代谢潜力的门（包括Acidobacteria、Actinobacteria和Chloroflexota）保持高活性。
因此，低温对水稻根际微生物群落的影响是抑制和功能富集联合过程的结果。水稻根际微生物组内代谢活性和养分固定的整体降低可能导致群落多样性下降。然而，植物-微生物相互作用（如根系分泌物驱动）和环境选择（如冷胁迫）共同促进了拥有特定抗逆代谢途径（如与MEbrown模块相关的基因）的微生物类群（例如Pseudomonadales）的功能性富集。本研究中两个水稻品种的根际微生物群落对低温表现出差异响应。DN428稳定地富集了具有特定功能的Pseudomonadales，并伴随着关键功能基因丰度的改变，而SJ10多样性指数的显著变化进一步证实了这种“功能重塑”途径是品种依赖性的。最终，无论是通过保守关键功能基因（DN428）还是调整更广泛的群落结构（SJ10），微生物群落的这些冷适应性改变深刻影响了它们服务宿主植物的能力——特别是在根系发育和氮素积累方面——从而决定了水稻的整体耐冷性。
低温处理下品种依赖性产量损失机制的综合模型
本研究结果表明，低温处理通过不同的生理和生态途径降低了水稻品种DN428和SJ10的最终产量。尽管低温引起的减产具有共同的终点——根系生理抑制和氮同化能力下降，但上游驱动途径存在根本性分歧，反映了植物-微生物互作模式的品种特异性。
在相对耐冷的DN428中，减产与根系相关微生物功能基因丰度的变化（而非因果链）相关联。冷胁迫（特别是T3处理）并未导致其根际微生物Alpha多样性显著崩溃，但显著降低了与半乳糖代谢（lacZ, rafA）和磷酸戊糖途径（fucK）相关的关键微生物功能基因的丰度。这些基因丰度的降低与微生物碳利用效率和核心能量代谢受损相关，这可能削弱了群落通过抗氧化防御相关的能量供应（如NADPH）来支持植物抗逆的能力。直接后果是微生物介导的有机质矿化过程（特别是氮转化）受到抑制，表现为核心矿化功能类群（如Actinomycetota门）相对丰度的下降。这引发了根际有效氮供应的急剧下降，进而施加了信号和资源的双重限制。这间接但有力地抑制了根分生组织活性、氮转运蛋白（如AMTs和NRTs）的功能以及整体的氮吸收和同化效率。
形成鲜明对比的是，冷敏感品种SJ10的减产源于一个更宏观层面的“微生物群落结构不稳定”。冷胁迫与其根际微生物Alpha多样性显著降低和群落组成剧烈重组（例如与碳氮循环相关的Pseudomonadota门丰度降低）相关联，这与功能冗余丧失和生态功能退化相关。例如，被破坏的有机酸代谢影响土壤pH和磷有效性，共同导致根际有益生态功能的全面下降。在此背景下，尽管SJ10根系可能试图启动某些生理胁迫响应，但根际生物有效养分的急剧下降和有益微生物支持的缺失共同构成了强大的外部限制。这些最终压倒了植物自身的生理调节潜力，导致对根系发育和氮吸收能力更严重的直接抑制。
总而言之，这个综合模型揭示了水稻品种间耐冷性差异源于对不同的“植物-微生物”互作轴的不同依赖。DN428表现出“功能稳健”的表型，依赖于具有稳定功能基因表达的核心微生物群落。这通过维持关键的根际生物地球化学循环功能来缓冲胁迫，从而为植物自身的生理调节争取了空间和资源。相反，SJ10则代表了“结构脆弱”的响应，其根际微生物群落的结构脆弱性在胁迫下被放大。这导致生态系统服务功能过早崩溃，直接将植物生理过程暴露于核心胁迫因子之下。两条途径最终汇聚于根系生理和氮代谢的共同瓶颈。然而，它们的根本分歧为品种特异性的耐冷性育种和管理提供了清晰的方向：增强DN428型品种核心微生物组的功能韧性， versus 为SJ10型品种培育结构稳定的微生物群落。因此，理解作物抗逆性必须从单一的以生物体为中心转向基于品种特异性“植物-微生物互作模块”的整合调控范式。
