Assembly and variation of root-associated microbiota of rice during their vegetative growth phase with and without lindane pollutant

水稻營養生長期根系相關微生物群的組裝和變化，有和沒有林丹污染物

來源：Soil Ecology Letters · November 2020  DOI: 10.1007/s42832-020-0063-1

 

一、摘要概述

 

本研究探究了有機氯污染物林丹（lindane）對水稻營養生長期根系微生物群落（根際土壤、根表及根內微生物）的時空動態影響。核心發現包括：

 

群落驅動因素：水稻生長時間（R2=0.12, P<0.001）、土壤類型（R2=0.04, P<0.001）和根際區室（R2=0.11, P<0.001）顯著影響微生物群落結構（圖1，表2），而林丹污染主要刺激根內微生物（endosphere）的構建（圖2）。

 

 

 

 

 

林丹去除機制：水稻根系分泌氧氣（ROL）和微生物介導的競爭性電子消耗過程（如Fe(III)/SO?2?還原）抑制了林丹的還原性脫氯降解（表3）。

 

 

功能分化：不同根際區室（大塊土壤、根際、根內）具有獨特的微生物群落和功能特征（圖4），根內微生物富集多酮類代謝和DNA修復功能，而根際微生物能量代謝更活躍。

 

 

二、研究目的

 

揭示微生物時空動態：解析水稻營養生長期根系微生物群落對林丹污染的響應規律。

 

闡明污染物去除機制：探究根-土-微生物互作如何影響林丹的厭氧降解過程。

 

評估生態功能分化：明確不同根際區室微生物的功能差異及其對逆境的適應策略。

 

三、研究思路

 

采用 “雙土壤盆栽實驗 + 多時間點采樣” 設計：

 

實驗設計：

 

土壤類型：兩種水稻土（S1：pH 6.76，高有機質；S2：pH 4.54，低有機質）（表1）。

 

處理組：添加林丹（50 mg kg?1） vs 無污染對照，種植水稻（品種“甬優12”） vs 無植物對照。

 

采樣時間點：移植后10、30、60天。

 

分層采樣：

 

根際區室：大塊土壤（bulk soil）、根際（rhizosphere）、根內（endosphere）（方法2.3）。

 

分析方法：

 

微生物群落：16S rRNA測序（V3-V4區），α/β多樣性分析（圖1-2）。

 

環境參數：林丹殘留量（GC-MS）、溶解氧（Unisense電極）、pH、DOC/DON等（表3）。

 

功能預測：Tax4Fun預測宏基因組功能（圖4C）。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 微生物群落結構（圖1 & 表2）

 

數據來源：NMDS分析（圖1A-B）、門水平相對豐度（圖1C-D）、PERMANOVA統計（表2）。

 

結果：

 

生長時間主導群落變異（R2=0.12），30天群落與10/60天顯著分離（圖1A）。

 

根內微生物以變形菌門（Proteobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes）為主（>58.9%），且隨生長時間動態變化（圖1C-D）。

 

意義：證實水稻根系通過時空尺度選擇性富集特定微生物類群。

 

2. 林丹去除與根系互作（表3 & 圖3）

 

數據來源：林丹殘留量（表3）、溶解氧（Unisense測量）、Spearman相關性網絡（圖3）。

 

結果：

 

水稻種植抑制林丹降解：60天時根際林丹殘留量（0.92 mg kg?1）顯著高于無植物對照（0.87 mg kg?1）（P<0.05）（表3）。

 

Unisense電極數據：根際溶解氧（DO）隨生長時間顯著升高（10天65.6 μM → 60天140.5 μM），與厭氧脫氯菌（如Clostridium）豐度負相關（圖3A）。

 

意義：根系泌氧（ROL）破壞厭氧環境，抑制林丹還原性脫氯。

 

3. 根內微生物標志物（圖2）

 

數據來源：隨機森林回歸分析（圖2A）、α多樣性（圖2B）。

 

結果：

 

21個屬（如Acidibacter, Desulfovibrio）作為水稻生長的敏感標志物（圖2A）。

 

林丹污染初期（10天）顯著提高根內微生物α多樣性（P<0.05）（圖2B）。

 

意義：根內微生物可作水稻逆境響應的生物標志物。

 

4. 功能分化（圖4）

 

數據來源：OTU富集分析（圖4A-B）、Tax4Fun功能預測（圖4C）。

 

結果：

 

根內富集多酮類代謝（KEGG通路），根際富集能量代謝（圖4C）。

 

林丹污染降低根際“異生素降解”功能基因豐度（圖4C）。

 

意義：根際區室功能分化影響污染物降解潛力。

 

五、結論

 

微生物響應：林丹污染主要刺激根內微生物群落構建，其多樣性隨水稻生長動態變化。

 

去除機制：根系泌氧（ROL）和微生物競爭性電子消耗（Fe(III)/SO?2?還原）共同抑制林丹還原脫氯。

 

土壤差異：高有機質土壤（S1）的微生物多樣性緩沖能力更強，林丹去除率更高（96.7% vs S2的93.7%）。

 

應用價值：根內微生物標志物（如Desulfovibrio）可為污染農田水稻栽培提供調控靶點。

 

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：

 

OXY25微電極：基于安培法，鉑陰極還原O?產生電流信號，檢測限0.1 μM。

 

原位測量：直接插入根際土壤，實時監測溶解氧（DO）動態（方法2.4）。

 

設計：

 

時間序列：10/30/60天連續監測，捕捉ROL隨生長的變化。

 

空間關聯：同步關聯根際微生物群落與氧化還原參數（如Fe(II)、SO?2?）。

 

2. 關鍵發現與生態意義

 

ROL動態量化：

 

DO濃度隨生長時間線性上升（10天65.6 μM → 60天140.5 μM），證實水稻根系泌氧能力增強（表3）。

 

抑制脫氯機制：高DO環境破壞厭氧條件，抑制厭氧脫氯菌（如Clostridium）活性（圖3A），導致林丹殘留量升高（表3）。

 

微生物-氧化還原耦合：

 

DO與Fe(II)濃度顯著負相關（r=-0.82, P<0.01），表明ROL促進Fe(II)氧化，競爭電子供體（圖3A）。

 

解釋林丹降解與SO?2?/Fe(III)還原的競爭關系（圖3B網絡）。

 

3. 研究意義

 

機制創新：首次量化ROL對根際氧化還原梯度的塑造，揭示“根系泌氧-微生物電子競爭-污染物脫氯抑制”的級聯機制。

 

技術優勢：原位、無損監測為根-土-微生物互作研究提供高分辨率數據支撐。

 

總結

 

本研究通過多區室采樣與Unisense電極原位監測，揭示林丹污染下水稻根系微生物群落的時空組裝規律。丹麥Unisense電極的關鍵DO數據證實了根系泌氧抑制厭氧脫氯的核心機制，為污染農田水稻栽培的微生物調控提供理論依據。未來研究需關注根內功能微生物（如Desulfovibrio）在污染物降解中的工程化應用。