荒漠植物根际土壤核心细菌群落及其功能研究

doi:10.11686/cyxb2025195

摘要/Abstract

摘要：

为解析荒漠植物根际微生物资源及其生态功能，本研究以鄂尔多斯高原沙地草原5种典型荒漠植物沙韭、杨柴、枸杞、猫头刺和大果沙棘为对象，采用三代高通量测序技术对根际土壤细菌进行全长16S rRNA基因测序，结合生物信息学分析揭示其群落特征与功能差异。结果表明：变形菌门、放线菌门和拟杆菌门为共有的优势菌门，其中属于放线菌门的类节杆菌属、节杆菌属和假节杆菌属在共现网络中具有较高连接度，构成核心微生物群落。枸杞根际呈独特的群落结构，其绿弯菌门相对丰度显著高于其他植物（P<0.05），且富集长微菌属等特异生物标志物。功能预测显示大果沙棘根际微生物碳固定通路丰度最高，而枸杞特有脂肪酸延伸通路。土壤理化分析表明有机质和速效磷是驱动枸杞根际细菌群落差异的关键因子，pH是驱动大果沙棘、猫头刺和沙韭根际细菌群落的关键因子。本研究发现荒漠植物通过特异性招募假节杆菌属等核心菌群构建抗逆功能模块，为微生物介导的荒漠生态修复提供基础研究及理论依据。

关键词: 荒漠沙地草原, 荒漠植物, 根际细菌, 核心群落, 群落结构及功能

Abstract:

To decipher the rhizosphere microbial resources and their ecological functions in desert plants， this study focused on five typical desert plant species in the sandy grassland of the Ordos Plateau： Allium bidentatum， Hedysarum mongolicum， Lycium chinense， Oxytropis aciphylla， and Fructus hippophae. Third-generation high-throughput sequencing of full-length 16S rRNA genes was performed on rhizosphere soil bacteria， combined with bioinformatics analysis to reveal community characteristics and functional divergence. It was found that Proteobacteria， Actinobacteria， and Bacteroidetes were the dominant phyla shared across all plant species. Within Actinobacteria， genera Paenarthrobacter， Arthrobacter， and Pseudarthrobacter exhibited high connectivity in the co-occurrence network， forming the core microbial community. The L. chinense rhizosphere displayed a unique community structure， with significantly higher relative abundance of Chloroflexi compared to other plant species （P<0.05）， and enrichment of specific biomarkers such as Longimicrobium. Functional prediction indicated that the rhizosphere microbiota of F. hippophae had the highest abundance of carbon fixation pathways （e.g.， one-carbon pool by folate）， while L. chinense uniquely enriched the fatty acid elongation pathways. Soil physicochemical analysis identified organic matter and available phosphorus as key drivers of bacterial community divergence in the L. chinense rhizosphere， whereas pH primarily shaped the communities of F. hippophae， O. aciphylla， and A. bidentatum. In summary， the findings reveal that desert plants recruit stress-resistant functional microbes to their rhizosphere through selective enrichment of core genera like Pseudarthrobacter， thus providing insight and theoretical support for microbial-mediated restoration of desert ecosystems.

Key words: desert sand steppe, desert plant, rhizobacteria, core community, community structure and function

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图/表 9

图1 5种荒漠植物根际土壤细菌群落多样性指数及PCoA分析SJ：沙韭A. bidentatum； YC：杨柴H. mongolicum； GQ：枸杞L. chinense； MT：猫头刺O. aciphylla； FH：大果沙棘H. rhamnoides；下同The same below；不同小写字母表示差异显著（P<0.05） Different lowercase letters indicate significant differences （P<0.05） based on post-hoc tests； n=3.

Fig.1 Five desert plants rhizosphere soil bacterial community diversity indices and PCoA analysis

图2 5种荒漠植物根际细菌属水平群落相对丰度“其他”表示相对丰度top30以后的菌属（种） Other represents the relative abundance of bacterial genera （species） ranking below the top 30；下同The same below.

Fig.2 Relative abundances of rhizosphere bacterial communities at the genus level for five desert plant species

图 3 5种荒漠植物根际细菌种水平群落相对丰度

Fig.3 Relative abundances of rhizospheres bacterial communities at the species level for five desert plant species

图4 5种荒漠植物根际细菌显著差异物种LDA值分布

Fig.4 The distribution of significant species LDA values of rhizosphere bacteria for five desert plant species

表1 5种荒漠植物根际土壤理化指标

Table 1 Physicochemical indicators of rhizosphere soil for five desert plant species

样品 Sample	有机质 Organic matter （g·kg^-1）	速效磷 Available phosphorus（mg·kg^-1）	速效氮 Available nitrogen （mg·kg^-1）	pH	电导率 Electrical conductivity （μs·cm^-1）
沙韭A. bidentatum	51.83±2.12bc	96.92±9.62c	4.68±1.17c	7.93±0.15b	295.45±7.01b
杨柴H. mongolicum	53.31±1.49b	106.62±8.17bc	5.62±1.12b	7.97±0.12b	307.62±11.38ab
枸杞L. chinense	56.82±1.81ab	111.15±7.33b	5.89±0.98ab	7.84±0.15b	328.70±9.55a
猫头刺O. aciphylla	50.38±2.35c	98.01±9.22c	6.11±1.23a	8.17±0.06a	297.32±10.41b
大果沙棘H. rhamnoides	57.92±1.24a	121.31±5.21a	5.12±1.29b	7.82±0.15b	329.88±9.28a

图5 5种荒漠植物根际细菌的DCA排序

Fig.5 DCA ordination of rhizosphere bacteria for five desert plant species

图6 5种荒漠植物根际细菌的RDA分析OM：有机质Organic matter； AP：速效磷Available phosphorus； AN：速效氮Available nitrogen； EC：电导率Electrical conductivity.

Fig.6 RDA analysis of influencing factors of rhizosphere bacterial community structure for five desert plant species

图7 5种荒漠植物根际土壤细菌核心微生物网络分析图中的节点大小代表该OTU的相对丰度高低；节点颜色越深表示该节点的degree值越大，degree则表示该节点在网络中的度，即该节点与其他节点的连接数，该值越高表明其在共现网络中的作用越大，越可能是核心群落；连线越粗表示两节点分别代表的OTU相对丰度的相关性越大，连线的颜色则表示该相关性是否显著，红色为显著，灰色为不显著。In the graph， the size of a node represents the relative abundance of the corresponding OTU； the darker the node color， the higher the degree value of that node. The degree indicates the number of connections a node has with other nodes in the network. A higher degree value suggests the node plays a more important role in the co-occurrence network and is more likely to be part of the core community； the thicker the connecting line （edge）， the stronger the correlation between the relative abundances of the two OTUs represented by the nodes. The color of the line indicates whether the correlation is statistically significant： red denotes a significant correlation， while grey indicates a non-significant one.

Fig.7 Core microbial network analysis of rhizosphere bacteria for five desert plant species

图8 5种荒漠植物根际土壤细菌功能差异分析及功能基因、酶和代谢通路热图（a）： 5种荒漠植物根际土壤细菌群落功能NMDS分析Non-metric multidimensional scaling （NMDS） analysis of functional characteristics in rhizosphere soil bacterial communities of five desert plant species. （b）： KEGG数据库注释的一级分类层级热图Hierarchical heatmap of primary classification levels in KEGG database annotation； map00785：硫辛酸代谢Lipoic acid metabolism； map00020：三羧酸循环Citrate cycle； map03060：蛋白质分泌Protein export； map00521：二噁英的降解Dioxin degradation； map00072：酮体的合成与降解： Synthesis and degradation of ketone bodies； map01230：氨基酸的生物合成Biosynthesis of amino acids； map00471： D-谷氨酰胺与D-谷氨酸代谢D-glutamine and D-glutamate metabolism； map00710：光合生物的碳固定Carbon fixation in photosynthetic organisms； map01062：萜类化合物与甾体化合物的生物合成Biosynthesis of terpenoids and steroids； map02040：鞭毛组装Flagellar assembly； map00061：脂肪酸生物合成Fatty acid biosynthesis； map00780：生物素代谢Biotin metabolism； map02030：细菌趋化性Bacterial chemotaxis； map00970： Apelin信号通路Apelin signaling pathway； map01212：脂肪酸代谢Fatty acid metabolism； map00290：亮氨酸与异亮氨酸的生物合成Leucine and isoleucine biosynthesis； map00770：泛酸与辅酶A的生物合成Pantothenate and CoA biosynthesis； map03430：错配修复Mismatch repair； map00473： D-丙氨酸代谢D-Alanine metabolism； map04112：细胞循环Cell cycle. （c）： KEGG数据库注释的酶丰度热图Heatmap of enzyme abundance annotated by the KEGG database； a：蔗糖合成酶 Sucrose synthase； b：胰蛋白酶 Trypsin； c：过氧化物酶 Peroxidase； d：超氧化物歧化酶 Superoxide dismutase； e：脯氨酸羟化酶 Procollagen-proline dioxygenase； f： △1-吡咯啉-5-羧酸还原酶 Pyrroline-5-carboxylate reductase； g：嗜热菌蛋白酶 Thermolysin； h：过氧化氢酶 Catalase； i：脯氨酸脱氢酶 Proline dehydrogenase； j：蛋白酶体肽链内切酶复合体 Proteasome endopeptidase complex； k：谷氨酰内肽酶 Glutamyl endopeptidase； l： α-淀粉酶 Alpha-amylase； m：木糖异构酶 Xylose isomerase. （d）：根际细菌群落碳、氮、硫以及脂肪代谢功能通路热图Heatmap of carbon， nitrogen， sulfur， and lipid metabolic pathways in rhizosphere bacterial communities； a：脂肪酸碳链延长 Fatty acid elongation； b：脂肪酸的生物合成 Fatty acid biosynthesis； c：脂肪酸代谢 Fatty acid metabolism； d：不饱和脂肪酸的生物合成途径 Biosynthesis of unsaturated fatty acids； e：叶酸介导的一碳单位池 One-carbon pool by folate； f：肿瘤中心碳代谢 Central carbon metabolism in cancer； g：硫转运系统 Sulfur relay system； h：光合作用生物的碳固定 Carbon fixation in photosynthetic organisms； i：氮素代谢 Nitrogen metabolism； j：硫素代谢 Sulfur metabolism； k：脂肪酸降解 Fatty acid degradation； l：多环芳烃生物降解 Polycyclic aromatic hydrocarbon degradation； m：近端小管碳酸氢盐重吸收 Proximal tubule bicarbonate reclamation； n：碳素代谢 Carbon metabolism； o：原核生物的碳固定途径 Carbon fixation pathways in prokaryotes.

Fig.8 Analysis of functional differences in rhizosphere soil bacteria of five desert plants and heatmap of functional genes， enzymes， and metabolic pathways

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