科研| 暨南大学(IF：10)：玉米根系生态位决定了细菌群落组装和功能对环境污染物响应的变化

微科盟君影 微生态

微生态

微信号 Microeco2016

功能介绍 专注各种微生态的研究，主要采用的技术有菌群多样性测序，宏基因组测序，宏转录组测序，基因组测序，转录组测序，蛋白质组和代谢组相关技术。微生态会定期通过网络举行各种微生态研究技术的公益讲座，汇总微生态相关研究进展，解读微生态研究论文。

发表于

点击蓝字↑↑↑“微生态”，轻松关注不迷路

生科云网址： https://www.bioincloud.tech

---

编译：微科盟君影 ，编辑：微科盟小编、江舜尧。

微科盟原创微文，欢迎转发转载 ，转载须注明来源《微生态》公众号 。

导读

植物根系相关的微生物可能受到污染等环境胁迫的影响。然而， 有 机污染如何影响不同根系相关生态位的微生物群落以及植物与微生物相互作用仍不清楚 。我们分析了邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）胁迫下的玉米根系相关的细菌群落。结果表明，4个根系相关的生态位的细菌群落结构和功能存在显著差异， 细菌多样性沿非根际土壤 — 根际 — 根表 —根内生层 的顺序呈逐渐下降的趋势 。 DEHP胁迫 显著 降低了根际和根 表的 细菌群落多样性，并改变了它们的组成、富集和消耗过程 。DEHP胁迫 使 一些特定的细菌类群富集，如邻苯二甲酸盐降解细菌（如 Rhizobium 和 Agromyces ）和 与 邻苯二甲酸盐降解 相关 的功能基因（如  pht3 和 pcaG ）。值得注意的是， 与根际相比， 根表 富集 了 抗逆细菌和 比根际 更复杂的微生物网络 ，使根表细菌群落 对DEHP胁迫更敏感 。 DEHP胁迫还会干扰根 表 相关细菌的定殖和生物膜 的 形成 。根 表 细菌群落与玉米生长 显著 相关， 但 受DEHP胁迫的负面影响。DEHP胁迫对植物 — 微生物 的 相互作用产生 了 负面影响并抑制玉米 植株 生长。本研究为 根系 相关细菌群落 对有机污染的响应 提供了深入 且 全面的理解。

图文摘要

论文ID

原 名： Maize root-associated niches determine the response variation in bacterial  community assembly and function to phthalate pollution

译 名 ： 玉米根系相关生态位决定了细菌群落组装和功能对邻苯二甲酸盐污染响应的变化

期刊 ： Journal of Hazardous Materials

IF： 10.588

发表时间： 2022.1

通讯作 者： 蔡全英，李慧

通讯作者单位： 暨南大学生命科学与技术学院

DOI号： 10.1016/j.jhazmat.2022.128280

试验设计

结果

1． 邻苯二甲酸盐胁迫降低 了 玉米生物量

DEHP胁迫 处理 50d后玉米 地上部 生物量 显著 降低。高 DEHP胁迫（100 mg/kg）下的 玉米地上部 生物量（ 35.5±1.55 g/pot，鲜重） 显著 低于 非 DEHP胁迫（41.4±3.80 g/pot，鲜重）（ p <0.05， 附 图 S1)。不同处理 后 的 非根际 土壤和根际土壤中 DEHP的残留浓度随着 处理时间 的 延长 而降低（ 附 图 S2）。 5 0 d时，非根际 土壤中 DEHP的平均残留浓度（低DEHP处理 和 高 DEHP处理 的残留量 分别为 2.57和25.2 mg/kg）与根际土壤中的DEHP平均残留浓度（低DEHP处理 和 高 DEHP处理 的残留量 分别为 2.64和25.7 mg/kg ， 低（ 20 mg/kg）DEHP和高DEHP（100 mg/kg）处理的平均 耗散 比分别约为 85%和73%）。

2 ． 邻苯二甲酸盐污染改变了与根系相关的细菌群落

与根 系 相关的生态位（包括 非根际土壤 、根际、根 表 和 根内生层 ）的细菌群落的 α多样性 有显著 差异（ p <0.01， 附 表 S2，图1a，b）。在25 d 和 50 d ， 根表 细菌群落的 α多样性 显著 低于根际（ p <0.01，图1a，b）。NMDS 和 ANOSIM 分析也证明了 非根际土 壤、根际、根 表 和 根内生层 之间细菌群落 具有显著 差异（ R=0.86， p =0.001，图1c）。这些结果表明，与根 系 相关的细菌群落的变化主要 受 根 系 相关的生态位 的影响 。

此外， DEHP污染 显著 影响 了 根际和根 表 细菌群落 的 α多样性，50 d时 Chao1指数 显著 低于对照（不含 DEHP）（ p <0.05，图1a，b）。50 d时 高 DEHP 处理 的根际细菌群落的 shannon 指数也观察到了 相似 的下降趋势（图 1b）。NMDS 和 ANOSIM 分析表明 ， 25 d 和 50 d （根际 25 d 除外） 时不同剂量 DEHP处理 后的 根际和 根表 的细菌群落 结构显著 不同（ p <0.01）（图1d，e）。 这些 结果表明，邻苯二甲酸盐污染 显著 改变了根际和 根表 的细菌群落。

根际和 根表 之间或 DEHP 处理 和 对照 之间的细菌 群落 的相对丰度存在 显著 差异（ 附 表 S3， 附 图 S3-S5）。 Top 5 的 优势门（共 25个门） 为 Proteobacteria 、 Bacteroidetes 、 Acidobacteria 、 Chloroflexi 和 Actinobacteria （相对丰度 >5%， 附 表 S3）。值得注意的是超过10个细菌门的相对丰度在根际和根 表 之间 有显著差异 （ p <0.05 ，附 表 S3）。根 表 中 Proteobacteria 和 Bacteroidetes 的相对丰度 显著 高于根际（ p <0.05），而 Acidobacteria 和 Actinobacteria 则 呈 相反趋势（ 附 表 S3）。此外，LEfSe 分析 结果表明， 13个类别可能解释了根际和 根表 之间的差异（ LDA 评分 >3.5）， 根表 中 Alphaproteobacteria 、 Bacterodia 、 Gammaproteobacteria 和 Chloroflexia 的相对丰度 显著 高于根际（ 附 图 S3）。另一方面，与 不添加 DEHP相比，DEHP胁迫 显著 增加了根际 中 Proteobacteria 和 Bacteroidetes 以及根 表 中 Verrucomicrobia 的相对丰度（ LDA 评分 >3.5， p <0.05， 附 图 S3）。在属水平上，DEHP 处理 和非 DEHP处理的根际和根 表 中 分别有 25 个 和 48个细菌属（总共198个属，相对丰度>0.01%）的相对丰度 显著 不同（ p <0.05）。DEHP胁迫增加了 根表中 一些属的相对丰度 （例如 Rhizobium 、 Bradyrhizobium 和 Streptomyces ）， 降低了某些属的相对丰度（例如 Nitrospira 、 Ramlibacter 和 Acidibacter ）（ p <0.05， 附 图 S4 ， S5）。这些结果表明与根 系 相关的细菌群落不仅受到植物根 系 相关生态位的影响，还受到邻苯二甲酸盐污染的影响。

 

图 1 根系相关群落的α和β多样性。25d和50d根际和根表细菌群落的Chao1（a）和Shannon（b）指数 ， “**”代表根际和根表之间的显著 性 差异 ( p <0.01)，不同字母代表DEHP处理对根际或根表细菌群落多样性影响的显著性差异（ p <0.05） ； （ c）基于Bray-Curtis距离的NMDS分析 ； 25d和50d，不同DEHP胁迫（0、20和100 mg/kg DEHP）下根际（d）和根表（e）细菌群落的NMDS分析。

LEfSe分析确定了24个属作为根 表 （ 15个属）或根际（9个属）中的生物标志物（LDA 评分 >4，图2a）。沿 非根际 — 根际 — 根 表的顺序 观察到这些生物标志物 的 相对丰度 发生了 明显变化。一些属（例如， Rhizobium 、 Sphingobium 、 Niastella 和 Acidibacter ）的相对丰度 沿非根际 — 根际 — 根 表的顺序呈 增加 趋势 ，表明这些细菌属在 根表 中富集。然而，一些属（例如， Bacillus 和 MND1 ）的相对丰度 沿非根际 — 根际 — 根 表的顺序呈下降趋势 ，表明这些细菌属在根 表 中被耗尽（图 2b）。值得注意的是，邻苯二甲酸盐污染影响了根 表细菌群落 的富集或消耗过程。例如，在 DEHP胁迫下 Bacillus 的相对丰度沿 非根际 — 根际 — 根 表的顺序呈 下降 趋势 （图 2c），这与 非 DEHP胁迫的情况 是 不同 的 （图 2b）。

 

图 2   根际和根 表 细菌群落的生物标志物 分析 。 （ a） 基于 LEfSe分析的根际和根 表 细菌类群的 LDA评分（LDA评分>4.0） ； 在非 DEHP （ b） 和 DEHP胁迫 （ c） 下，从 非根际 土壤到根 表 的细菌类群 的 相对丰度的变化。

此外，在根际和根 表 细菌群落的 198个属中鉴定了几个 参与 邻苯二甲酸 盐 降解 的 细菌属，例如 Sphingobium 、 Rhizobium 、 Acinetobacter 和 Agromyces 的 平均相对丰度 变化范围从 0.007%至8.74%（图3）。这些 参与 邻苯二甲酸 盐 降解 的细菌 属在根际和 根表的 相对丰度 也有明显不同 。例如， Sphingobium （平均相对丰度为 6.96%）和 Rhizobium （平均相对丰度为 2.24%）在 根表显著 富集，而 Bacillus 和 Pseudomonas （平均相对丰度约为 0.85%） 则 在根际中 显著 富集（图 3） 。 这些邻苯二甲酸 盐 降解菌属（例如 Agromyces 和 Rhizobium ）也在 DEHP胁迫下富集， D EHP 胁迫处理下这些菌属的相对丰度显著高于非 D EHP 胁迫处理 （图 3）。

 

图 3 非DEHP和DEHP胁迫 处理 50d 时的 根际和根 表 细菌群落中 与 邻苯二甲酸盐降解 相关 菌 的 分布。 “*”和“**”表示根际和根 表 之间 在 p <0.05和 p <0.01 时 存在 显著 差异。不同字母代表不同 DEHP处理（0、20和100mg/kg）对根际或根 表 细菌群落的 影响有显著 差异（ p <0.05）。

3 ． 根 系 相关 的 微生物组的潜在来源和共现 性 网络

韦恩图显示非根际 土壤和根际 土壤共有的 OTU数量最多（>70%的 非根际土壤 ），根际和 根表共有了根际中 51%的OTU，而 非根际土壤 和内生层在第 25 d时共有 的 OTU数量最少（图4a）。50d后， 非根际 土壤、根际和 根表 共有 了 1081个OTU（33%的根际和41%的 根表 ），而根 表 共有 了根际 68%的OTU， 超过了 第 25 d的结果 （图 4b） 。

进一步 对根际和根 表 的细菌群落进行了来源跟踪分析，以确定观察到的 这些 分类群的潜在来源。显然，根际细菌群落主要来自 非根际 土壤（ 54.4％）并与 根表 共 有约 3 3.7 %的细菌群落 （图 4c）。 根 表 细菌群落主要来自根际 （ 86.0％，图4d）。 2 5 d时 根 表 细菌群落不受 DEHP胁迫的影响，而在第50 d时 受 DEHP胁迫的影响 较大 （图 4e）。对照（不含DEHP） 组 根 表的 细菌群落 中来源于根表群落的 比例 显著 低于 DEHP胁迫 组 ，而不含 DEHP 组 根 表的 细菌群落 中来源于非根际 土壤的比例 显著 高于 DEHP胁迫 组 （ p <0.05，图4f）。

 

图 4 （ a） 根 系 相关细菌群落共 有 OTU 及其 来源跟踪分析 ； 第 25 d（a） 和第 50 d（b） 的维恩图（ OTU水平） ； 根际 （ c） 和根 表（ d） 细菌群落的来源追踪 ； 第 25 d （ e）和第50 d （ f）不同DEHP胁迫之间的根际细菌群落来源。不同字母代表不同DEHP处理对根 表 细菌群落来源 （非根际 土壤、根际和内生层 ）影响的显著性差异 （ p <0.05）。

此外， 选择 根际（ 1111）和根 表 （ 749）中相对丰度>0.01%的OTU构建细菌群落 的相关性网络图 （ p <0.05，R>0.6）。根际和根 表的网络图中分别有 1064和730个节点，29741和50345条边， 其中 正相关 的比例 分别为 57.3％和52.3％（图5a）。根 表 细菌群落网络 图（ 平均 度值为 138 ） 比根际 网络图（ 平均 度值为 55.9 ，节点数更多）的连接性更强 。 此外， 根表细菌群落网络图（模块化指数 0.2 ， 5个模块）比 根际网络图 （模块化指数 为 0.18 ， 8个模块 ）的模块化更强。 在根 表 网络 图 的模块 1、模块2和模块3中， Proteobacteria 、 Bacteroidetes 、 Chloroflexi 、 Acidobacteria 、 Planctomycetes 、 Verrucomicrobia 、 Firmicutes 和 Actinobacteria 占 优势 地位（图 5b）。根际 细菌群落网络图中 ， Proteobacteria 、 Acidobacteria 、 Chloroflexi 、 Bacteroidetes 、 Verrucomicrobia 、 Gemmatimonadetes 和 Actinobacteria 在模块 1、模块2和模块3中占 优势 地位（图 5c）。

 

图 5 根际和表细菌群落的共现性网络图分析。（a）根际和根表细菌群落的网络及其属性 ； 根际（ b）和表（c）细菌网络前三个模块中在门水平的 群落 组成。

4 ． 根际和根 表 细菌群落的功能预测

使用 PICRUSTs 2对根际和根 表 细菌群落进行功能预测。 NMDS 分析结果显示 ，细菌群落的功能组成在根际和根 表 之间分离， 这与其 β多样性 的结果相似 （ p =0.001，图6a）。值得注意的是，在根 表 细菌群落中观察到 DEHP和非DEHP胁迫之间的功能存在 显著 差异（ p <0.05），而在根际 中 没有 显著 差异（图 6b，c）。

此外，根际和根 表 之间以及在 DEHP 处理 和非 DEHP处理之间 有 许多细菌 的 功能 丰度 存在 显著 差异（ p   < 0.05，图6d， 附 表 S4）。根 表 中与植物营养元素 、 碳转化和代谢（如氮、磷、硫代谢和脂肪酸代谢）相关的细菌功能的相对丰度 显著 高于根际（ p <0.05，图6d， 附 表 S4）。此外，根际和根 表 细菌群落中与生物膜形成相关的细菌功能基因证实了细菌趋化性的功能变异 （附表 S 4 ，附图 S 6 ） 。根际细菌群落中 与 生物膜形成 相关 基因（如 pgaA 和 pgaD ）的相对丰度 显著 高于根 表 ， DEHP胁迫下根际细菌群落中基因 pgaA 的相对丰度 显著 高于 非 DEHP 处理 （ p < 0.05， 附 图 S6）。另一方面，DEHP胁迫可能会影响根 表 细菌群落的细菌功能。 DEHP胁迫 显著 增加了根 表 中与碳代谢相关的细菌功能（如氨基糖和核苷酸糖代谢、淀粉和蔗糖代谢以及 其它 聚糖降解）的相对丰度，而降低了与细胞周期相关的细菌功能 的丰度 （ p <0.05， 附 图 S7 ） 。

与根 系 相关的细菌群落还表现出与外源污染物代谢和降解相关的特殊功能（例如，多环芳烃、氯代烷和苯甲酸酯降解），根 表 细菌群落的相对丰度 显著 高于根际（ p <0.05，图6d， 附 表 S4)。 与 邻苯二甲酸 盐 降解 相关 的细菌功能基因证实了外源污染物代谢和降解的变化。基于 KEGG数据库，观察到PAE降解基因编码的酶包括羧酸酯酶 （ yvaK ） 、脱羧酶 （ pht5 ） 、脱氢酶 （ pht4 ） 和双加氧酶 （ pht2 、 pht3 、 pcaG 和 pcaH ） 在根 表 和根际细菌群落之间存在明显的差异 （ 图 6e ） 。根 表 细菌群落中基因 pht5 的相对丰度 显著 高于根际，且基因 pht3 和 pcaG 在 DEHP胁迫下 显著 富集（ p <0.05，图6e）。

图6.根际和根表细菌群落的功能预测。NMDS分析25d和50d（a）根际和根表的细菌功能，以及50d不同DEHP处理下根际（b）和根表（c）的细菌功能。（d） 在DEHP胁迫下，50d根际和根表细菌功能的相对丰度存在显著差异。（e） 邻苯二甲酸盐降解途径基于根际和根表细菌群落中鉴定的基因。

5 ． DEHP污染、细菌群落与玉米生长的相关性

Mantel检验 结果 表明， DEHP污染与 根表 细菌群落组成呈 显著 负相关（ p <0.05），而与根际细菌群落 的 相关性较 低 （表 1）。GAM分析表明，DEHP污染与根 表 细菌群落的 α多样性（Chao1）呈 显著 负相关（ p <0.01，表1）。这些 结果 表明， DEHP污染对根 表 细菌群落具有 显著 的负面影响。 此外，玉米 生物量与根 表 细菌群落的 α多样性 呈显著正相关 （ p <0.01，表1）。 总的来说， DEHP污染 对根表细菌群落具有显著的负面影响，进而导致 玉米生物量 的 减少（ 附 图 S1）。

表 1   采用 Mantel 检验 和广义加性模型 （ GAM ）分析 根 系 相关细菌群落与 DEHP 浓度 和玉米生物量的相关性

 

6．邻苯二甲酸盐胁迫影响了根系相关细菌在根系表面的定殖

SynCom R和SynCom B（ 附 表 S5） 被 用于进一步研究邻苯二甲酸盐对根 系 相关细菌 在根表 定殖的影响。 用 SynCom R和SynCom B在无菌玉米幼苗 根系 接种 20 d 后 ， 土壤中残留的 DEHP浓度分别为106和135 mg/kg（ 附 表 S6）。SynCom R 中 的所有属（除了 Cellulomonas ） 均 可在根 表 上检测到，而 SynCom B 中 的 Brevibacterium 、 Gordonia 、 Isoptericola 和 Fictibacillus 在根表上未检测到或者相对丰度较低 （ ≤0.001%，图7a）。SynCom R 中 的 Rhizobium 、 Luteibacter 和 Streptomyces 有 较高的相对丰度（分别为 24%、11% 和 1.8%） ， 在根 表 细菌群落中占 优势 地位（图 7a、 附 表 S7、S8），这意味着 它们能很好地在根表定殖和生长。此外， 通过扫描电镜 观察到 SynCom R和SynCom B在根 表 上 表现出 明显不同的栖息模式（图 7b-g）。 玉米幼苗生长 2 0 d后， 在非 DEHP条件下，接种 了 SynCom R的 玉米 根表面上分布着 较为 致密的生物膜（图 7c），而在DEHP胁迫 条件 下生物膜 明显 变薄（图 7d）。只有少数细菌分布在接种 了 SynCom B或未接种的根表面上（图7e，f）。同时，在连接每个细菌细胞的根表面 上 观察到明显的细胞分泌（图 7g）。 此外， 接种 了 SynCom R的 幼苗 根中包括水杨酸和茉莉酸在内的植物激素 的 浓度 显著 高于未接种的 幼苗根系 （ DEHP胁迫下的水杨酸 除 外）（ p <0.05），而接种 了 SynCom B 和未接种的根系之间未观察到显著差异 （ 附 图 S8）。

SynCom R在无菌玉米幼苗 根系 的成功定殖促进了植物生长（图 S8）。在非DEHP 处理 下，接种 了 SynCom R的玉米 茎 和根的生物量 显著 高于接种 了 SynCom B或未接种的 植株 （ p <0.05），而在DEHP胁迫下第20 d时未 观察到 显著 差异（ 附 图 S8） 。 SynCom R （ 8.31±0.97 mg/L ） 在 LB培养基 中 产生的吲哚乙酸 （ IAA ） 浓度显着高于 SynCom B （ 5.71±0.41 mg/L ） （ 附 图 S8）。根 系 提取物的添加 显著 （ p <0.05）促进了SynCom R的生长， 但对 SynCom B的生长 无 促进 作用 （ 附 图 S8）。 在添加了 根 系 提取物时， SynCom R和SynCom B的生长几乎不受邻苯二甲酸盐胁迫的影响（ 附 图 S8）。

 

图 7 合成细菌群落在根 系 表面的定殖和组装。 （ a） 第 10 d 和第 20 d ，在非 DEHP 胁迫和 DEHP胁迫 处理 下 的 土壤和根 表 中合成群落 （ SynCom R ） 的组成 ；（ b）正常条件下的根表扫描电镜图；（c）非 DEHP 胁迫下 接种 了 SynCom R 后的根系表面的扫描电镜图 ;（ d ） DEHP 胁迫下 的 根表扫描电镜图；（ e） DEHP 胁迫下 接种了 SynCom B 后 的 根表扫描电镜图； ( f ) DEHP 胁迫下未 接种 SynCom B的 根表扫描电镜图；（ g）微生物通过分泌与植物互作；（h） 在第 20 d ， 非 D EHP 胁迫和 D EHP 胁迫下， 接种 了 SynCom R、SynCom B和未接种（对照）的玉米根 系中 的水杨酸的 含量 ；（ i） 在第 20d，非 D EHP胁迫和 D EHP胁迫 下， 接种了 SynCom R、SynCom B和未接种（对照）的玉米根系中的 茉莉酸 的含量 。

讨论

1. 生态位和邻苯二甲酸盐污染都影响了与根 系 相关的细菌群落的组装

根 系 相关区室 显著 影响 了 玉米两个生长 时期的 细菌群落的组装和多样性。玉米（ 附 表 S2）和一些 其他 农作物（例如水稻、黑麦草和小麦）的根 系 相关区室（即 非根际土壤 、根际、根 表 和内生层）之间的细菌多样性和群 落 组成 均 存在 着显著 差异 。 根 系 相关区室之间细菌群落的变化主要是由植物宿主 的 选择 性 引起的，这对塑造根 系 相关微生物群落具有很强的选择作用 。 玉米根 表 的细菌 群落 多样性（ Chao1和 Shannon 指数 ）显著 低于根际（图 1a，b），表明不同植物区室对根 表 微生物组 的 组装 有一定的 过滤作用 。 这一发现与先前对水稻和小麦的 研究结果 一致 。 由于宿主 的 选择 性 压力依次增强，细菌多样性 沿非根际土 — 根际 — 根 表 — 内生层 的顺序 逐渐下降（ 附 表 S2） 。 同时， 一些物种 （如 Rhizobium 、 Sphingobium 和 Niastella ）的相对丰度逐渐增加，而 另一些物种 （如 MND1 和 Bacillus ）的相对丰度 则 沿 非根际土壤 — 根际 — 根 表的顺序 逐渐 降低 （图 2b、c）。Reinhold-Hurek等人提出了关于根 系 相关区室中微生物群落 富集的三个 机制：（ i）植物根 系 从环境中募集特定微生物 群落 ，（ ii）根 系对这些群落 进一步过滤 ， （ iii） 群落 在根 系 表面定殖。 与 根 系 相关 的 特定细菌的富集主要由根际效应决定 ， 特别是 一些 来自 于 根分泌物和次生代谢物（例如脂肪酸、苯并恶嗪类）的特定碳源 。 根际和根 表 的微生物群 落 主要来源于土壤，少数来源于内生菌（包括 由 种子 产生 的细菌）的垂直迁移 。 我们观察到根际细菌群落主要来自 于非根际土壤 （ 54.4 % ，图 4c），前者被过滤后成为根表细菌群落的主要来源（86.0 % ，图 4d），而只有少数的根系内生菌垂直传播并定殖在根表上（<5%，图4b、e、f）。

DEHP污染 显著 影响了根际和根 表的 细菌群落的组装，降低了细菌群落的多样性并改变了它们的组成。特别是 DEHP胁迫导致一些特定的细菌类群如邻苯二甲酸 盐 降解细菌 的 富集（图 3），并抑制一些敏感细菌类群 在 根际和根 表富集 （ 附 图 S4、S5）。 前人 研究 发现 ，林丹和邻苯二甲酸盐等有机污染物对水稻根际细菌群落或根系相关区室中的细菌群落有明显的 负面 影响。 DEHP胁迫下 根表 细菌多样性的降低比根际更 显著 （图 1a，b），更多的细菌在 根表 富集或 消耗 （图 S4，S5），这 说明 根 表 细菌群落 与根际细菌群落相比 对 DEHP胁迫 更 敏感。这可能是由于根 表 细菌群落的多样性低于根际 细菌群落 （图 1）。在相同条件下，SynCom R的生长和OD600低于SynCom B（ 附 图 S8c），且在DEHP胁迫下，SynCom R在根 表 的生物膜 更 薄（图 7d）。这些 结果 表明邻苯二甲酸盐污染对根际和根 表 微生物组的影响不同，这与我们的假设（ I） 是 一致 的 。 然而，之前的研究忽略了 污染 物 对根际微生物组的影响。事实上，根 表 的微生物群落在 根系上的物理性附着及 选择 某些 细菌在根 表面上 形成生物膜方面起着选择性的门控作用。 有 研究 曾报道 了水稻和受黄龙病影响的柑橘根际 — 根 表 — 内 生层 中微生物组的富集或消耗过程。 本研究 首次揭示了有机污染物（邻苯二甲酸盐）对根 系 相关生态位 的 （即 非根际 、根际、根 表 和 内生层 ）细菌群落的影响。

事实上，与根 系 相关的细菌群落的组装是非常复杂的，而且还受到许多环境因素的影响， 这可能对 根际和根 表 细菌群落对 DEHP胁迫的不同 响应产生影响 。许多因素可以介导和影响微生物群落的组装 ，例如 根系分泌物（如有机酸）、土壤理化性质（如土壤有机碳）、特定的次生代谢物（如玉米合成的苯并恶嗪类）、胁迫诱导的植物激素、来自植物和微生物的信号 等。 我们之前的研究表明， DEHP胁迫可以改变植物 的 根系形态、根系分泌物（包括有机酸）的组成和含量，从而影响土壤理化性质（例如土壤有机碳、 pH） 。 这些因素可以改变根系相关微生物群落的组装和结构。然而，邻苯二甲酸盐胁迫下根系分泌物和土壤理化性质对根系相关微生物群落的 具体的 影响和机制还需要进一步研究。

2. 邻苯二甲酸盐胁迫下根际和根 表 细菌 的 相互作用

栖息地中的微生物通过微生物相互作用形成复杂的关联网络 。 具有高度连通性的微生物网络的复杂性有利于微生物 群落的 稳定及 响应 环境 胁迫 （例如干旱、污染）。然而，关于有机污染胁迫下根系相关微生物组 中 复杂微生物 间的 相互作用的 研究还相对较少 。我们发现根际和 表 细菌群落在邻苯二甲酸盐污染下表现出 较 高 的 连通性（平均度 值 >50），并且根 表 细菌群落比根际 微生物群落的相互作用更复杂但更集中 （图 5a）。然而， 在 两个地点 的不同施肥处理后的 玉米和小麦 ，以及 连续单一栽培下的牛膝 根系均 发现了不同的 结果，即 网络复杂性沿 非根际土壤 -根际-根 表的顺序逐渐降低 。因此，不同根 系 相关生态位的微生物组可以构建不同的复杂 的相关性 网络以响应环境 胁迫。

一般来说， 具有复杂网络和更强连通性 的微生物相互作用构 成 了一个更稳定的微生物生态系统，与更简单的网络和更低连通性的微生物生态系统相比，它更能应对环境变化。 本研究中 具有复杂网络的根 表 的细菌群落可能比根际的细菌群落更稳定（图 5）。然而，与根际相比，邻苯二甲酸盐胁迫和强烈的宿主选择压力导致根 表 中细菌群落的多样性相对较低（图 1a，b）。相对较低的细菌群落多样性可能 更 有利于维持植物相关微生物群落与其宿主之间共生关系的稳定性。与根际相比， DEHP胁迫 显著降低 了根 表 中对邻苯二甲酸 盐 敏感的细菌类群 的丰度 （ 附 图 S4，S5）。 然后，植株 选择了耐邻苯二甲酸盐的细菌成员（例如， Proteobacteria 和 Verrucomicrobia ），并在根 表 构建了比根际更稳定 且 抗逆 性更强 的细菌群落（图 5c， 附 图 S4，S5）。

3. 根 系 相关细菌的特定功能促进植物生长和有机污染物降解

有机污染不仅会影响微生物群落结构，还会影响 其 在环境中的功能。 本研究中， 根 表 细菌群落的结构和功能组成与根际中的细菌群落 显著 不同（图 6a）。这一 结果 表明，根际和根 表 细菌群落可能为宿主提供特定和不同的生态功能。值得注意的是，在根 表 中观察到 DEHP 浓度 与细菌群落多样性之间存在 显著的 相关性，但在根际中则没有（表 1）。此外，与 未添加 DEHP的 处理 相比， DEHP胁迫 显著 改变了根 表 的细菌功能（图 6c），但 未 改变根际 细菌功能 （图 6b），这进一步验证了我们的假设（I）。

众所周知，植物 — 微生物相互作用和土壤 的较 高 的 微生物多样性可以提高土壤 的 生产力（例如 植株的 生长和生物量）。 前人 的研究 主要侧重于非根际土壤 和根际 土壤 生产力与微生物群落之间的相关性，而忽略了根 表 微生物组的重要作用。 本研究中 受 DEHP胁迫影响的根 表 细菌群落多样性与玉米 的 生物量 呈显著 负相关（表 1）。 此 研究结果 证实了 DEHP胁迫对根 表 细菌群落的结构和功能产生了负面影响，这可能导致 了 玉米生物量的 降低 。此外，与元素循环（例如氮、磷和硫代谢和转化）相关的活性细菌功能在根 表上 富集（图 6b， 附 表 S4）。这证实了与根系相关的微生物群（包括根际，尤其是根 表 ）对养分获取和宿主生长具有重要作用。特别是根 表上富集 的类群和功能（图 6b， 附 表 S4）促进了植物 — 微生物的相互作用。这些结果表明 了微生物 从根 表 获取植物养分的巨大潜力。

植物与微生物的相互作用可以加速去除有机污染物，有利于生物修复。 本研究从 根际和根 表 的细菌群落中鉴定了一些 与 有机污染物（例如多环芳烃、氯烯烃、苯甲酸酯和双酚）降解相关 的 细菌功能。 与有机污染物降解相关的几种细菌功能在根 表 细菌群落中富集（图 6b， 附 表 S4）。 事实上，一些邻苯二甲酸盐降解细菌（例如 Agromyces 、 Acinetobacter 和 Rhizobium ）在根 表 和根际细菌群落中被鉴定和富集（图 3）。这些结果表明，根际和 根表 细菌可能是自然消除有机污染物的重要微生物资源。特别是编码邻苯二甲酸 盐 降解酶的功能基因 已被 进一步证实 具有 生物修复的潜力。 本研究中 根际和根 表 细菌群落 有 与邻苯二甲酸 盐 水解和开环相关的功能基因（例如编码羧酸酯酶的 yvaK 和编码双加氧酶的 pht 基因家族）（图 6e）。邻苯二甲酸盐的降解途径表明邻苯二甲酸盐可以被根际和根 表 中的细菌群落完全矿化（图 6e）。这些富集的邻苯二甲酸 盐 降解细菌和基因可能在邻苯二甲酸 盐 降解和生物修复中发挥重要作用。

4. 邻苯二甲酸盐胁迫影响玉米根系 合成群落的 再定殖

根 系 相关细菌群落的 再 定殖受 DEHP胁迫的影响。SynCom R成功地在根 表上再 定殖（图 7）， 这 表明这些细菌分类群（已被植物宿主选择）可能 重新 返回到根 表上 。 SynCom （合成群落） 在根 表 上成功 再 定殖的能力主要取决于 SynCom的特定性状（例如， 有关 趋化性的基因的表达）、 SynCom与 原生 微生物（例如，土传和内生细菌）之间复杂的相互作用以及 固有 寄主植物 的免疫 系统。 本试验中 与趋化性和生物膜形成相关的细菌功能（例如基因 pgaA 和 pgaD ）存在于根际和根 表 的细菌群落中（ 附 表 S4； 附 图 S6）。SynCom R以聚集体和生物膜的形式重新定殖在玉米根表面（图7），尽管根际细菌群落的生物膜形成基因（例如 pgaA 和 pgaD ）的丰度 显著 高于根 表 （ 附 图 S6）。植物宿主的选择压力抑制了根 表 细菌群落，一些特定的细菌类群可以通过形成生物膜来适应环境。源自玉米根部的 SynCom是 特异的以 适应其宿主植物，因此可以成功地在根 表 重新定殖。根 表 的微生物 定殖 可以诱导植物 的 免疫反应（例如，分泌植物激素）。 SynCom R的成功定殖 显著 增加了在非 DEHP胁迫 条件 下 （ D EHP 胁迫未观察到此现象） 根 系 中水杨酸和茉莉酸的浓度（ 附 图 S8）， 这 表明根 系 相关细菌群落在根 表 的重新定殖明显受到 DEHP 胁迫的 影响。与根 系 相关的微生物群可以利用植物根中的化合物（例如根 系 分泌物）作为碳源。然而， DEHP污染改变了与根 表 细菌群落的碳和氨基酸代谢（ 附 图 S7）。因此，DEHP对土壤的污染影响了SynCom的定殖和生物膜形成以及细菌群落的丰度和功能。

有趣的是，与根 系 相关的微生物组和 植株 是互惠互利的 关系 。与未接种 处理 相比， SynCom R的接种和定殖 显著 增加了玉米 的 生物量（ 附 图 S8），根 表 的细菌群落多样性与玉米生物量 显著 相关（表 1）。这可能 是由于 细菌类群通过产生植物激素（吲哚乙酸）（图 S8） 和 增强植物宿主的养分获取 来 与宿主植物共生（图 6）。反过来，玉米根 系 提取物 显著 促进了 SynCom R的生长（图S8）。这些结果表明，根 表 细菌和宿主植物之间存在共生模式。值得注意的是，在邻苯二甲酸盐胁迫下，接种 SynCom R、SynCom B和未接种处理的玉米生物量没有 显著 差异 。 因此，邻苯二甲酸盐胁迫 显著 影响了根 表 细菌 — 植物 的 相互作用以及根 表 细菌与宿主植物之间的共生模式。

总之，邻苯二甲酸盐胁迫对根 系 相关细菌群落的结构和功能产生负面 的 影响，并对植物生长 产生 抑制 作用 。 前人研究发现 土壤中的有机污染 物 （例如林丹）会对小麦和水稻等植物的生长产生 抑制作用， 但 其 影响机制尚不清楚。众所周知，土壤微生物群落多样性与植物生长 显著 相关，根系相关细菌群落 的 多样性对植物生长和健康有很大 的 影响。 在本研究中 我们证实邻苯二甲酸盐胁迫降低了与根 系 相关的细菌群落（特别是根 表 ）的多样性并改变了它们的结构和功能，导致根 表 中一些 对 邻苯二甲酸盐敏感的细菌类群如 Acidibacter 和 Nitrospira 的枯竭过程（ 附 图 S4） ， 它们 已被报道在植株 生长 中 发挥 其 生态作用。此外，有机污染影响了根 系 相关微生物（尤其是根 表 ）的组装和定殖以及植物与微生物的相互作用，从而影响了植 株 的生长。这些结果表明，邻苯二甲酸 盐 胁迫对根系相关细菌群落的生态功能产生负面 的 影响，进而对玉米 植株的 生长产生 了 负面影响。

结论

玉米根 系 相关细菌群落的变化主要由区室生态位（如根际、根 表 和内生层）决定，但 随着某些特定类群（如参与邻苯二甲酸盐降解的细菌群落和功能基因）的富集， 邻苯二甲酸 盐 胁迫也 显著 影响 了与 根 系 相关 的 细菌群落的结构和功能。与根际细菌群落相比， 根表细菌群落的 多样性较低 ，说明根表 细菌群落对邻苯二甲酸盐胁迫更敏感。此外，邻苯二甲酸盐污染干扰 了 合成细菌群落在玉米根表的定殖和组装， 尤其是使其生物膜变薄。 根 表 细菌群落与玉米 植株的 生长 显著 相关， 但 受 DEHP胁迫的负 向 影响。因此，邻苯二甲酸盐污染改变了与根 系 相关的细菌群落和植物与微生物的相互作用，从而影响 了 细菌 群落的生态功能 。 本研究对植物根系相关细菌群落对 有机污染 物的响应机制提供了更 深入 且 全面的理解。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389422000681?via%3Dihub#bib13

获取此篇微文原 文pdf请扫描下方二维码联系微科盟多组学老师即可。

微文推荐阅读

1. 土壤微生态文献包免费领取 | 150篇近两年高影响因子土壤微生态相关文章

2. 根际微生态文献包免费领取 | 60篇近两年高影响因子植物根际微生物相关文章

3. 肠道微生态文献包免费领取 | 100篇近两年高影响因子肠道菌群与消化道疾病相关文章

4. 元素循环微生态文献包免费领取 | 60篇近两年高影响因子植物-土壤碳氮磷相关文章

获取此文献原文PDF、申请加入学术群，联系您所添加的任一微科盟组学老师即可，如未添加过微科盟组学老师，请联系多组学老师6，无需重复添加。

了解更多菌群知识，请关注“微生态”。

点击阅读原文 ，直达原文网站，如需原文PDF可联系组学老师获取