Light exposure mediates circadian rhythms of rhizosphere microbial communities

光照介導根際微生物群落的晝夜節律

來源：The ISME Journal (2021) 15:2655–2664

 

一、摘要概述

 

本研究揭示了光暴露通過雙重機制調控水稻根際微生物群落的晝夜節律：

 

光暗周期（LD）下：光誘導的根際環境波動（氧氣、pH、溶解性有機碳DOC）主導微生物節律，約12.2%的微生物屬（24個）表現出晝夜振蕩。

 

持續黑暗（DD）下：微生物內源生物鐘驅動節律，約7.4%的屬（19個）保持振蕩，且與LD組僅有1個屬（Levilinea）重疊。

 

生態位分化：光暴露減少生態位數量，增加群落不穩定性，而黑暗環境促進更穩定的微生物互作。

 

二、研究目的

 

解析調控機制：區分光誘導環境波動與微生物內源生物鐘對根際微生物晝夜節律的貢獻。

 

量化光暴露影響：對比LD與DD條件下微生物群落結構、多樣性和網絡穩定性的差異。

 

揭示生態意義：探究晝夜節律如何影響微生物生態位分化和群落功能。

 

三、研究思路

 

采用 “雙處理對比→多時間點采樣→多組學整合” 策略：

 

實驗設計：

 

處理組：水稻根際暴露于光暗循環（LD，12h光/12h暗）或持續黑暗（DD）。

 

采樣點：每12小時采集根際土壤（AM 8:00，PM 20:00），持續72小時（圖1d）。

 

原位監測：

 

環境參數：Unisense微電極實時監測根際O?、pH（圖1a-b）；DOC濃度測定（圖1c）。

 

微生物響應：16S cDNA測序分析群落結構（圖2-4），qPCR定量微生物活性（16S cDNA拷貝數，圖2a）。

 

 

 

 

機制驗證：

 

節律性微生物鑒定：篩選晝夜振蕩的微生物屬（圖3）。

 

共現網絡分析：解析微生物互作模式（圖4）。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 根際環境晝夜波動（圖1）

 

數據來源：Unisense電極原位監測（圖1a-b）、DOC測定（圖1c）。

 

結果：

 

LD組：O?濃度日間升至200 μmol·L?1，夜間降至5 μmol·L?1；pH日降夜升（6.0→6.4）；DOC日高夜低（231 vs. 161 mg·kg?1）。

 

DD組：環境參數無顯著波動。

 

意義：首次量化光驅動根際氧化還原震蕩，為微生物節律提供環境背景。

 

2. 微生物活性與多樣性（圖2）

 

數據來源：qPCR（圖2a）、α多樣性指數（圖2b-c）、PCoA分析（圖2d）。

 

結果：

 

LD組微生物活性（16S cDNA拷貝數）日間高于夜間（P<0.001），α多樣性日間降低（Shannon指數下降）。

 

DD組活性與多樣性無晝夜差異，但整體低于LD組。

 

意義：光通過資源波動（DOC、O?）塑造微生物活性峰谷，減少日間生態位（圖4）。

 

3. 節律性微生物分類（圖3）

 

數據來源：16S cDNA測序與節律分析（圖3）。

 

結果：

 

LD組：24個屬（如好氧菌Sphingomonas）受光調控，僅2個屬為關鍵指示物種。

 

DD組：19個屬（如厭氧菌Geobacter）由內源生物鐘驅動，5個屬為關鍵指示物種。

 

意義：光暴露掩蓋內源生物鐘作用，黑暗環境更依賴微生物自主節律。

 

4. 微生物網絡穩定性（圖4）

 

數據來源：共現網絡分析（圖4）。

 

結果：

 

LD組：網絡節點多、連接復雜但模塊少（模塊度低），穩定性差。

 

DD組：網絡結構簡單但模塊度高，穩定性強。

 

意義：光誘導的環境波動增加微生物競爭，導致群落不穩定（圖4拓撲特征）。

 

五、結論

 

光的主導作用：光通過驅動根際O?、pH、DOC晝夜波動，間接調控微生物節律，掩蓋內源生物鐘影響。

 

黑暗的保守性：DD條件下微生物依賴內源生物鐘維持節律，群落更穩定。

 

生態啟示：光暴露減少生態位并增加競爭，可能通過調控微生物節律影響植物-微生物互作功能。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 技術原理與實驗設計

 

原理：Unisense微電極（OXY25/pH-N型）基于安培法（O?）和電位法（pH），以微米級分辨率原位監測根際微環境。

 

設計：

 

剖面掃描：電極以90秒間隔動態監測根際O?、pH（0-4 cm深度）。

 

雙模式對比：同步記錄LD與DD條件下的實時數據（圖1a-b）。

 

2. 關鍵結果與生態意義

 

光驅動氧化還原震蕩：

 

LD組O?濃度晝夜差達195 μmol·L?1（圖1a），直接證明水稻光合作用驅動根際氧化還原狀態劇變。

 

pH滯后響應（變化滯后光周期1小時），暗示次級代謝產物（如有機酸）積累（圖1b）。

 

對微生物節律的意義：

 

O?波動創造“好氧-厭氧”晝夜交替微環境，定向富集好氧/厭氧微生物（如日間富集好氧菌）。

 

pH震蕩影響酶活性與養分溶解度，間接調控微生物代謝節律。

 

方法學貢獻：

 

首次實現根際微環境原位秒級監測，克服傳統破壞性采樣誤差。

 

量化光-根際-微生物的級聯效應，為“根際泵”理論提供實證。

 

3. 對微生物研究的啟示

 

時空異質性量化：Unisense數據揭示根際并非均質環境，而是高度動態的微生境拼圖。

 

機制關聯橋梁：電極數據將宏觀光信號與微觀微生物響應直接關聯，例如O?濃度與α多樣性負相關（R2=0.73）。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極與多組學整合，闡明光暴露通過根際氧化還原震蕩主導水稻根際微生物晝夜節律，而黑暗環境下內源生物鐘維持節律穩定性。丹麥Unisense電極提供的高分辨率原位數據，為解析“光-根際-微生物”級聯效應提供了不可替代的技術支撐，未來可拓展至其他植物-微生物互作研究。