中欧温带森林衰老叶片与针叶中树型特异性的内生细菌组装及其功能

《BMC Plant Biology》：Tree type-specific endophytic bacterial assembly and function in senescing leaves and needles in temperate forests of Central Europe

　　

摘要：
背景：叶片和针叶是调控生态系统内碳（C）输入、养分吸收及生物地球化学循环的关键植物组织。然而，阔叶树种与针叶树种的生态策略如何影响叶片/针叶内生定殖，从而促进后续凋落物的养分释放，尚未得到充分认识。研究人员采用下一代测序（next generation sequencing）技术，考察了中欧森林11种常见树种衰老叶片和针叶中内生细菌群落的组装、功能及相互作用（统称为群落属性）。

结果：内生细菌群落属性在不同树种之间以及不同树型（阔叶树和针叶树）之间均存在显著差异。决定性过程（deterministic processes）（与氮（N）相关的因子）主导了阔叶树种内生细菌群落的组装，这些群落以尿素分解细菌（ureolytic bacteria）为优势类群，可能导致无机氮增加。相反，随机性过程（stochasticity）（均质化扩散（homogenizing dispersal）和扩散限制（dispersal limitation））主要控制针叶内细菌群落的组装。与阔叶树相比，针叶树表现出更高的细菌分类群多样性，从而扩大了其应对环境因子变化的能力。

结论：研究结果揭示了在叶片和针叶成熟过程中启动凋落物分解的内生定殖模式，并证明该模式在不同树型之间存在差异。

该论文发表于《BMC Plant Biology》，聚焦中欧温带森林衰老叶片与针叶中内生细菌群落的组成、组装机制与潜在功能差异，重点比较阔叶树与针叶树两类树型在叶部微生物定殖策略上的分化。研究背景在于，叶片和针叶既是森林生态系统中碳（C）输入和养分周转的重要器官，也是后续凋落物分解的起点。现有研究已表明，成熟叶片相关微生物群会影响凋落分解的后续演替，但在叶片衰老至脱落前这一关键阶段，树型差异如何塑造内生细菌群落，尤其是如何影响氮（N）转化、群落组装过程以及后续凋落物分解潜力，仍缺乏系统认识。尤其是在中欧森林多树种背景下，树种身份、叶片理化性状与内生细菌组装机制之间的关系尚未被充分解析。因此，开展该研究有助于阐明叶部内生微生物在凋落前阶段的生态功能，并为理解森林养分循环和凋落物分解的早期驱动机制提供依据。

研究人员在德国图林根州Hainich–Dün地区采集了11种温带常见树种的衰老叶片或针叶样本，涵盖7种阔叶树和4种针叶树，比较其内生细菌群落的分类组成、多样性、功能特征、共现网络及群落组装机制。研究得出结论：树型显著影响内生细菌群落属性；阔叶树衰老叶片中的内生细菌群落主要受决定性过程控制，并富集尿素分解相关类群，可能提升无机氮可利用性，从而促进凋落物早期分解；针叶树中的内生细菌群落则更多受随机性过程主导，具有更高的分类和功能多样性，有利于在相对贫养、缓慢分解的叶部环境中维持养分获取能力。该研究的重要意义在于，提出了树型关联的内生细菌定殖与功能分化框架，揭示了叶片脱落前微生物组已开始参与凋落物分解启动，从而拓展了对森林生态系统叶际—凋落界面微生物生态学的理解。

在技术方法方面，研究人员基于德国中部温带森林11种树种的衰老叶片/针叶样本，测定叶部理化性质，并采用16S rRNA基因扩增子Illumina MiSeq测序解析内生细菌群落；通过DADA2获得扩增子序列变体（ASV），结合SILVA数据库进行分类注释，利用FAPROTAX与Tax4Fun2预测生态与代谢功能；进一步通过NMDS、PERMANOVA、Sloan中性群落模型（NCM）、系统发育标准化随机性比值（pNST）、β最近缘分类单元指数（βNTI）及共现网络分析，评估群落差异、功能特征和组装机制。

研究结果如下。

Endophytic bacterial community composition, diversity, and function: Significant differences among tree species and tree types
研究人员首先比较了不同树种及两类树型中内生细菌群落的分类组成、α多样性和潜在功能。结果表明，在门水平上，内生细菌群落组成随树种和树型显著变化。阔叶树中拟杆菌门（Bacteroidota）相对丰度较高，而针叶树中变形菌门（Proteobacteria）总体相对丰度低于阔叶树，但某些针叶树种如Pseudotsuga menziesii、Pinus sylvestris和Larix decidua的衰老针叶中变形菌门丰度较高。功能注释显示，共识别出与碳、氮、硫循环相关的35类生态功能。阔叶树中尿素分解作用（ureolysis）相关细菌显著富集，其中Massilia等类群占比较高，提示其可能参与无机氮增加；相较之下，针叶树中与烃降解（hydrocarbon degradation）、甲基营养（methylotrophy）、甲烷营养（methanotrophy）和N₂固定（N₂ fixation）相关的功能类群相对更丰富。此外，针叶树中的碳水化合物代谢潜力也较高。α多样性分析进一步显示，针叶树内生细菌群落的多样性显著高于阔叶树。β多样性分析表明，树种身份对分类组成、生态功能和代谢功能的解释度最高，说明宿主树种是塑造叶部内生细菌群落的重要因素。

Endophytic bacterial co-occurrence network varied between tree types
为解析不同树型中内生细菌间的潜在相互作用，研究人员构建了分类网络和代谢网络。结果显示，针叶树内生细菌网络具有更多连边、更高平均度和更短平均路径距离，说明其网络连接性更强、结构更紧密。较高的平均聚类系数也表明针叶树网络内部关联更为密集。代谢网络中亦观察到类似规律，提示针叶树内生细菌不仅在分类层面更加多样，而且在潜在代谢协作关系上更复杂。与此同时，针叶树网络模块度较高，表明其群落呈现较强的模块化组织。两类树型中的关键类群（keystone taxa）组成也明显不同：阔叶树网络包含3个模块枢纽（module hubs）和3个连接者（connectors），而针叶树网络则包含4个模块枢纽和4个连接者。这些结果说明，不同树型不仅改变了内生细菌的组成，还重塑了其潜在生态互作格局。

Stochasticity and determinism of endophytic assembly processes in mature leaves
在群落组装机制方面，研究人员结合Sloan中性群落模型、生态位宽度指数、pNST和βNTI进行分析。结果表明，阔叶树与针叶树在内生细菌组装过程中存在显著差异。中性模型拟合结果显示，两类树型均受随机过程影响，但阔叶树和针叶树的拟合程度不同。生态位宽度分析显示，阔叶树内生细菌群落的群落水平生态位宽度显著高于针叶树。进一步区分广适种（generalists）和专适种（specialists）发现，两类树型中这两类群均有分布，但比例存在轻微差异。更关键的是，pNST分析显示阔叶树内生细菌群落以决定性过程为主，而针叶树则以随机性过程占优势。针叶树pNST值显著高于阔叶树，说明其群落组装更受随机扩散和漂变驱动。βNTI与RC_bray联合分析进一步指出，阔叶树群落主要受均质选择（homogeneous selection）控制，而针叶树群落主要受均质化扩散（homogenizing dispersal）影响；同时，针叶树中的漂变过程比例也高于阔叶树。由此可见，阔叶树叶部环境更倾向于通过环境过滤筛选特定内生细菌，而针叶树则表现出更强的扩散和随机组装特征。

Potential associations between endophytic bacterial community and leaf properties
研究人员进一步分析了叶部理化性质与内生细菌群落之间的联系。结果表明，阔叶树内生细菌群落组成主要受叶片NH₄⁺和矿质氮（N_min）浓度影响，说明氮组分是其关键环境筛选因子。相比之下，针叶树中经纬度与群落组成关系更强，且DOC、Ca和P含量与其群落结构显著相关。功能层面上，阔叶树中几乎所有与氮组分相关的叶部变量都显著影响细菌群落功能，尤其是尿素分解类群与叶片理化性质联系更紧密。进一步相关性分析显示，NH₄⁺含量与尿素分解细菌丰富度及相对丰度均呈显著正相关。这说明，在阔叶树衰老叶片中，尿素分解相关内生细菌可能通过促进铵态氮积累，参与凋落前的养分转化准备。偏Mantel检验还显示，氨基酸代谢功能与NH₄⁺、pH、P含量及空间位置均有较强关联，进一步支持叶部化学环境对功能组装的重要作用。

讨论部分围绕两类树型在内生细菌定殖策略上的差异展开。研究结果表明，阔叶树衰老叶片中的内生细菌群落更受决定性过程支配，并富集尿素分解类群，这可能使其在叶片脱落前便开始推动氮矿化与无机氮积累，从而提高凋落物质量并加速早期分解。由于阔叶通常具有较低C:N和较高养分含量，此类细菌功能配置与其较快分解特征相吻合。相对而言，针叶树针叶中的内生细菌群落表现出更高多样性、更复杂网络结构和更明显的随机组装信号，说明在较高C:N、较低养分有效性及较慢分解背景下，针叶树更依赖功能多样化的细菌群落维持养分获取与转化。研究同时指出，叶部理化性质并非唯一驱动因素，随机扩散和地理因素在针叶树中同样具有重要作用。总体上，讨论强调了树型差异、叶部环境过滤和群落互作共同塑造衰老叶片/针叶中的内生细菌生态策略，并影响后续凋落物分解起点。

结论部分可译为：
总之，通过考察中欧森林衰老叶片及不同树型中的内生细菌群落结构，本研究提出了一个用于评估细菌群落属性及其与叶片/针叶理化性质和分解速率联系的概念性框架。树型对多种内生细菌群落属性具有显著影响，包括多样性、群落结构、生态与代谢功能、生态随机性以及共现网络。此外，阔叶树种的叶片由一组明确的分类群以决定性方式定殖，其中包括尿素分解类群，这些类群可能通过提高氮可利用性促进凋落物分解早期阶段。相反，针叶树表现出一种不同的随机性定殖策略，具有更广泛的细菌多样性，以维持养分获取。网络分析表明，衰老叶片细菌群落内部存在协作和协同相互作用，并支持阔叶树种中的内生细菌对环境选择更为敏感。总体而言，研究结果强调了树型在阐明成熟叶片和针叶内生群落组装机制中的重要作用。