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

林丹污染物存在與否條件下水稻營養生長階段根際微生物組的組裝與變異  

來源: Soil Ecology Letters Volume 3, pages 207–219, (2021)

《土壤生態快報》第3卷 第207-219頁 （2021年）

 

 

摘要  

本研究通過高通量測序和多種環境因子分析，揭示了水稻營養生長階段根際微生物組在有機氯污染物林丹（lindane）脅迫下的時空動態變化規律。研究發現：1）生長時間、土壤類型和根區 compartment（大塊土壤、根際、根內）是影響微生物群落結構的顯著因素（P<0.001），而林丹污染主要刺激根內微生物組（endosphere）的構建；2）林丹污染初期（10-30天）提高根內微生物α多樣性，但60天后差異不顯著；3）水稻根-土壤-微生物的互作通過根系氧損失（ROL）和微生物介導的競爭性電子消耗過程，抑制了生長后期林丹的還原性脫氯降解；4）不同根區 compartment 具有獨特的微生物群落和生態功能特征。該研究為理解有機氯污染農田中水稻-微生物互作機制提供了新視角。

 

研究目的  

本研究旨在探究：1）水稻營養生長階段根際微生物組對林丹污染的時空響應規律；2）土壤類型、生長時間和根區 compartment 對微生物組裝的交互影響；3）水稻生長通過何種機制影響林丹的自然衰減過程。

 

研究思路  

1.  實驗設計：采用雙土壤（浙江嘉興S1 vs 江西鷹潭S2）、雙處理（添加林丹P vs 無污染UP）、三時間點（10/30/60天）、四重復的盆栽實驗體系  

2.  多維度數據采集：  

    ? 微生物數據：16S rRNA高通量測序（Illumina MiSeq平臺）分析不同根區微生物群落結構  

 

    ? 環境因子：測定pH、溶解氧（DO）、溶解有機碳/氮（DOC/DON）、Fe(II)、SO?2?等11項指標  

 

    ? 污染物動態：監測土壤和林丹殘留量及根系富集量  

 

3.  數據分析：  

    ? 微生物β多樣性：NMDS分析+PERMANOVA檢驗多因素影響  

 

    ? 生物標志物：Random Forests回歸識別時間敏感菌屬  

 

    ? 關聯網絡：MENA平臺構建微生物-環境因子互作網絡  

 

    ? 功能預測：Tax4Fun基于16S數據預測宏基因組功能  

 

測量的數據及研究意義  

1.  微生物群落結構數據（圖1，表2）：  

    ? 測量數據：通過NMDS分析顯示樣本聚類模式，PERMANOVA檢驗各因素顯著性  

    ? 研究意義：定量證明生長時間（R2=0.124, P<0.001）和根區 compartment（R2=0.112, P<0.001）是主要影響因素，而林丹污染單獨效應不顯著（P=0.326）  

 

 

2.  時間敏感生物標志物（圖2）：  

    ? 測量數據：Random Forests回歸識別出21個與生長時間顯著相關的菌屬（如Acidibacter, Haliangium等）  

    ? 研究意義：揭示水稻根內微生物組的演替規律，90.1%的變異可由生長時間解釋，其中61.9%為變形菌門  

 

3.  環境因子與微生物關聯網絡（圖3，表3）：  

    ? 測量數據：Spearman相關分析顯示芽孢桿菌（Bacillus）與林丹降解正相關（r>0.5），而地桿菌（Geobacter）與Fe(II)含量負相關  

    ? 研究意義：網絡包含153節點和735邊，pH為核心環境節點（最高betweenness），證明微生物-環境-降解過程的復雜互作  

 

 

 

4.  根區特異微生物功能（圖4）：  

    ? 測量數據：根內 compartment 顯著富集Proteobacteria和Firmicutes（占總豐度58.9%），預測功能顯示根際富集能量代謝KO條目  

    ? 研究意義：根區 compartment 分化導致功能 specialization，根內富集萜類代謝和DNA修復功能，增強逆境抗性  

 

5.  Unisense微電極測量數據：  

    ? 測量數據：采用丹麥Unisense OXY25微電極系統原位測定根系徑向氧損失（ROL）導致的溶解氧（DO）變化  

 

    ? 研究意義：量化水稻根系泌氧效應——種植水稻使溶解氧升高18倍（5.86→109.97 μmol L?1, P<0.05），為解釋根際氧化還原環境改變提供關鍵證據  

 

結論  

1.  水稻根際微生物組裝受生長時間、土壤類型和根區 compartment 的顯著調控，而林丹污染主要通過刺激根內微生物組構建產生影響  

2.  水稻生長通過根系氧損失（ROL）改變根際氧化還原環境，與微生物介導的競爭性電子消耗過程（SO?2?還原、Fe(III)還原）耦合，抑制林丹的還原性脫氯降解（60天時降解率降低0.5-1.2%）  

3.  根內微生物組具有顯著的時間動態性，林丹污染在生長前期（10-30天）增加其α多樣性，可能作為逆境響應機制  

4.  不同根區形成功能分化微生物群落：根際富集能量代謝和信號轉導功能，根內富集萜類代謝和DNA修復功能，增強系統韌性  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

本研究中使用丹麥Unisense公司的OXY25微電極系統（方法2.4節）測量了根系徑向氧損失（ROL）引起的溶解氧變化，該技術貢獻了關鍵機制性證據：  

 

1.  直接量化泌氧效應：微電極原位測定顯示水稻種植使溶解氧濃度從5.86 μmol L?1顯著提升至109.97 μmol L?1（18倍增加，P<0.05），這為"根系改變根際氧化還原環境"的核心假設提供了直接實驗證據  

 

2.  解釋污染物降解抑制機制：ROL數據與林丹降解率下降（表3）、Fe(II)濃度升高（2309→2490 mg kg?1）等化學證據耦合，證明根系泌氧將厭氧環境轉為微氧環境，從而抑制了依賴嚴格厭氧的還原性脫氯過程  

 

3.  支撐時空動態分析：微電極數據揭示了ROL效應隨時間增強（DO從80.4→137.7 μmol L?1，30→60天），這與微生物群落演替和林丹降解抑制的時序規律高度吻合，提供了機制解釋的時間維度證據  

 

4.  技術優勢體現：Unisense微電極的空間分辨率（μm級）和原位測量能力，避免了取樣破壞根際微環境，準確捕獲了傳統方法難以測量的根-土界面微區氧動態  

 

Unisense微電極數據在本研究中起到了"橋梁"作用，連接了微生物群落變化（生物學表現）與污染物降解動力學（功能輸出）之間的機制鏈條，使研究從相關性分析上升到因果機制闡釋。