《Applied Soil Ecology》：Response of Ginkgo biloba rhizosphere metabolites and microbial community structure to annual precipitation gradient-Shift in driving factors and potential growth promoting rhizobacteria analysis
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本研究沿中国东部降水梯度选取五个站点，结合代谢组学和微生物组学分析，发现降水通过改变根际代谢物（有机酸和脂质）间接调控微生物群落结构，其中Bacillales菌门在极端降水下显著富集，促进银杏抗逆性。结果揭示了代谢物作为中间介质连接降水与微生物响应的机制，为森林微生物工程提供新靶点。
康欧阳|杨玉霞|郭静|张园辉|王宇|唐文杰|唐伟|郭梦婷|刘玉华|于鹏飞|王贵斌
中国南方可持续林业协同创新中心·林木遗传与育种国家重点实验室，南京林业大学，南京，210037，中国
摘要 银杏 （Ginkgo biloba）是一种具有强大生态恢复力的孑遗树种，对降水变化具有高度适应性，但其根际代谢物和微生物群落与自然降水梯度之间的关联机制仍不明确。本研究利用综合代谢组学和微生物组学方法，对中国东部一个降水梯度（651.7–1719毫米；济南、邳州、泰兴、杭州、宁波）上的五个地点进行了调查。结果表明，降水显著影响了根际代谢物的组成：在高降水量条件下，有机酸含量增加了22.7%–25.9%；而在低降水量或高降水量条件下，脂质含量增加了38.9%–39.2%。在基线条件下，细菌群落组装的主要驱动因素是常规营养物质（总钾、有效磷、有效钾），而在降水变化条件下，主要驱动因素转变为代谢物（有机酸、脂质）。两个细菌目——杆菌目（Bacillales）和根瘤菌目（Rhizobiales）对降水变化有显著响应，其中杆菌目在极端条件下富集，成为提高银杏抗逆性的关键促生长类群。
引言 全球气候变化显著改变了陆地生态系统的水热状况，降水模式的空间异质性明显增加（Xiao和Sheng，2020；Franklin等人，2016；Chen和Han，2023；Sun等人，2022）。包括东亚和南亚在内的湿润地区降水量增加，而非洲西北部和南美洲西部等干旱和半干旱地区则呈现下降趋势（IPCC，2013）。这些不同的降水模式直接影响了植物的生长发育，并通过改变根际环境（特别是水分可用性、氧化还原条件和养分循环）进一步影响关键的生物地球化学过程（Bellard等人，2012）。在低降水量条件下，光合作用活动下降，导致地下碳分配减少，微生物获取资源的途径受限（Chaves等人，2009）。相反，在高降水量条件下，根际积水常常引发根部厌氧呼吸和植物毒性代谢物的积累，从而抑制根系功能和微生物活动（Kozlowski，1984）。因此，降水变化通过改变根际环境这一关键界面，间接但深刻地影响植物-土壤-微生物系统的结构和功能。
微生物群落、土壤代谢物和土壤养分对降水变化高度敏感，在根际功能中起着重要作用。因此，它们越来越多地被用作环境变化下土壤生态系统响应和健康的指标（Bardgett等人，2021；Lange等人，2024；Zhuang等人，2024）。现有研究表明，降水变化，特别是干旱胁迫，可以通过系统调节植物根系特征和根系分泌物过程，显著影响根际微生物群落的组成和功能。在干旱条件下，植物通常表现出细根比例增加、根系比表面积扩大和根系更新率降低等适应性特征，从而提高其获取有限水和养分资源的效率（Comas等人，2013；Bardgett等人，2014）。同时，干旱显著改变了根系分泌物的数量和化学组成，表现为易分解的低分子量碳化合物（如可溶性糖和有机酸）的输入减少，而具有信号传导或防御功能的某些次级代谢物的相对丰度增加（Henry等人，2007；Preece和Pe?uelas，2020）。根际代谢物组成的变化进一步驱动了微生物群落的方向性选择。研究表明，在干旱条件下，具有较高碳利用效率、更强环境耐受性或能够利用复杂碳源的微生物类群更可能在根际富集。相反，高度依赖水分和易分解碳源的微生物类群则受到抑制（de Vries等人，2018；Naylor等人，2017）。此外，某些植物可以通过调节根系分泌物谱型，主动招募具有促生长、抗旱或渗透调节功能的微生物，从而增强自身对水分胁迫的适应能力（Zhalnina等人，2018；Fitzpatrick等人，2020）。
尽管上述研究揭示了根系特征、根际代谢物和微生物群落在干旱胁迫下的重要耦合机制，但这些理解主要基于短期控制实验或在单一环境背景下的研究。相比之下，关于长期自然降水梯度下降水变化如何驱动微生物群落结构变化及其主导因素的系统实证研究仍不足。特别是根际代谢物与土壤养分在不同水分条件下的协同或权衡关系，以及它们对微生物群落组装过程的共同影响，仍有待充分阐明。根际代谢物作为根系-土壤界面的关键化学成分，介导了土壤有机/无机化合物与微生物群落之间的相互作用（Johns等人，2017）。根系分泌的代谢物不仅通过调节土壤pH值和螯合矿物质来提高养分可用性（Jones和Darrah，1994；Veneklaas等人，2003），还为细菌提供多种碳底物（Zhalnina等人，2018）。同时，土壤细菌可以调节这些代谢物的积累和周转。因此，分析降水变化下根际代谢物与微生物群落之间的动态耦合关系，对于理解植物适应环境变化的机制至关重要。
银杏 是一种古老的孑遗物种，常被称为“活化石”，在中国是一种稀有且受保护的树种（Pan等人，2020）。该物种具有很强的环境适应性，能够在多种土壤和气候条件下茁壮成长。根据其适宜生长区域的分类，高度适宜的生长区域主要集中在东部-中部地区，包括江苏省、安徽省、河南省的全部领土，以及山东省南部、浙江省北部和湖北省东北部，合计占全国陆地面积的9.29%。次适宜生长区域分布在湖北省和湖南省、江西省北部、贵州省北部和四川省北部，占全国陆地面积的6.09%。大多数中国北部地区被归类为低适宜生长区域，概率值≤0.1，占全国陆地面积的76.16%（Guo等人，2019）。银杏还表现出显著的抗虫害和抗病能力，使其在其漫长的生命周期中能够保持相对稳定的生长（Royer等人，2003）。先前的研究从银杏根际内部和根际分离出了许多具有潜在促生长功能的细菌群（Zhang等人，2023），表明其根际微生物资源具有重要的生态意义。银杏在中国广泛分布，其栽培区域年降水量差异显著，使其成为研究长期自然降水梯度下植物根际适应机制的理想模型物种（Pierce等人，2012）。此外，作为一种具有独特进化背景和生理特征的古老裸子植物，银杏的根际过程可能与现代被子植物树种有所不同，这进一步突显了其在降水变化条件下研究植物-微生物相互作用机制的独特科学价值。
本研究结合了根际代谢物和土壤特性的多变量分析，系统地考察了自然降水梯度上细菌群落结构的变化。我们进一步确定了银杏适应不同水分条件的关键细菌类群。具体目标包括：（1）评估降水对银杏根际细菌群落、代谢物和土壤养分的影响；（2）确定根际代谢物在不同降雨水平下作为细菌群落组装驱动因素的作用；（3）识别对银杏适应降水变化至关重要的细菌分支。我们的结果为气候变化下的树木根际生态提供了新的见解，并为制定增强林业抗逆性的微生物策略提供了支持。
实验地点筛选 我们从中国气象数据中心（
http://data.cma.cn/ ）和ClimateAP软件（版本2.03）获取了与植物生长相关的气候数据（共14个变量，见表S1）。基于过去30年中国的气象记录和IPCC第五次评估报告中的未来气候预测，我们确定了以降水为主要研究变量的潜在采样地点，同时其他气候因素保持相对稳定
养分和代谢物 基于PLS-DA分析，两个成分能够区分五种降水条件（土壤代谢组学和土壤养分特性）。其中，J点、P点和T点在二维空间中的聚类最为紧密，而J点与T点之间的分离相对较低（图1A、B）。为了进一步探讨植物、土壤和微生物之间的反馈机制，测量了土壤养分的变化。结果显示，总氮（TN）
根际代谢物与细菌多样性在降水梯度和土壤环境因素之间的关联 本研究表明，根际代谢物的组成和细菌群落的结构沿降水梯度发生了显著变化。我们的结果进一步表明，代谢物可能作为重要的中介，将降水这一关键非生物因素与微生物响应联系起来（Bi等人，2021；Shi等人，2011）。沿降水梯度，根际代谢物谱型与细菌群落之间存在显著关联
结论 本研究在中国东部的一个自然降水梯度上进行，整合了根际土壤代谢组学、细菌群落结构和土壤养分特性，系统地阐明了银杏根际生态系统在不同水分条件下的响应。结果表明，根际代谢物组成和细菌群落结构沿降水梯度发生了显著变化，两者之间存在密切关联
CRediT作者贡献声明 康欧阳： 撰写——初稿，可视化，正式分析。杨玉霞： 软件使用，调查，数据管理。郭静： 撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，概念构思。张园辉： 验证，调查。王宇： 软件使用，调查。唐文杰： 软件使用，调查。唐伟： 验证，调查。郭梦婷： 验证，调查。刘玉华： 撰写——审稿与编辑。于鹏飞： 撰写——审稿与编辑。王贵斌：
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢 本研究得到了国家重点研发计划 （2024YFD2200305）、江苏省二氧化碳达峰和碳中和技术创新专项基金 （BE2022420）以及江苏省高等教育机构优先发展计划 （PAPD）的支持。
