高寒草甸植物根叶共生固氮菌群落差异及其生态适应机制研究

《Microbial Ecology》：Symbiotic N-Fixing Bacteria in the Root and Leaf of Typical Alpine Grassland Plants

　　语 本研究针对高寒生态系统氮限制难题，通过16S rRNA和nifH基因测序及培养组学技术，系统解析了西藏那曲高寒草甸4科典型植物（菊科、豆科、禾本科、蔷薇科）根叶内生固氮菌群落结构。结果表明，根系细菌多样性显著高于叶际，豆科植物固氮菌丰度占优，且非豆科植物（如嵩草、羊茅、火绒草）叶际存在Microbacterium、Curtobacterium等稀有固氮菌群；与亚热带环境相比，蓝藻门（Cyanobacteria）成为高寒植物重要共生固氮功能单元。该研究为极端环境植物-微生物互作机制及草地氮循环调控提供了新视角。

　　

氮是植物生长的关键限制因子，尤其在海拔4500米以上的高寒草甸生态系统中，低温和养分匮乏严重制约植物氮获取。传统认知中，豆科植物通过与根瘤菌共生形成根瘤实现高效固氮，但在青藏高原极端环境下，豆科植物结瘤现象罕见，其氮来源机制成为生态学谜题。近年来，植物内生微生物（尤其是栖息于根和叶的固氮菌）的功能逐渐被重视，然而高寒植物不同组织部位固氮菌群的结构差异及其环境适应机制尚不明确。

为揭示这一机制，中国科学院青藏高原研究所侯卫国和张庚新团队选取西藏那曲典型高寒草甸的4科优势植物（菊科、豆科、禾本科、蔷薇科），综合运用培养组学、16S rRNA和nifH基因高通量测序技术，对比分析了根与叶的内生细菌群落组成和固氮功能潜力。研究通过系统采样、表面灭菌、DNA提取及特异性基因扩增，结合主坐标分析（PCoA）和α/β多样性指数，解析了植物种类和组织部位对微生物群落的选择性调控作用。

关键方法概述

研究在植物生长旺季采集根叶样本，经PBS清洗和次氯酸钠表面灭菌后，液氮研磨提取DNA，使用FastDNA? SPIN Kit进行土壤DNA提取。通过引物515F/806R扩增16S rRNA基因，NifH1F/NifH2R扩增nifH基因，Illumina MiSeq平台进行双端测序。利用QIIME 2和USEARCH v8.0进行序列质控和OTU聚类，通过SINTAX算法比对RDP数据库完成物种注释。同时采用Ashby无氮培养基分离培养固氮菌，构建系统发育树鉴定菌株分类。

研究结果

1. 四类植物内生微生物组成差异

16S rRNA测序显示，叶片微生物以蓝藻门（Cyanobacteria，70.67%）和变形菌门（Proteobacteria，22.46%）为主导，而根系中蓝藻门（39.36%）与变形菌门（38.01%）比例接近。nifH基因分析进一步表明，叶片固氮菌群中蓝藻门（47.80%）和链霉菌门（Streptophyta，24.72%）占优，根系则出现热脱硫菌门（Thermodesulfobacteriota，22.19%）的显著富集。豆科植物根系变形菌门相对丰度（20.62%）低于非豆科植物（如蔷薇科根系达55.05%），暗示其固氮途径的特异性。

2. 高寒植物细菌α多样性

根系细菌的OTU丰富度、均匀度、香农指数和Chao1指数均显著高于叶片（p<0.05），且豆科植物根叶菌群多样性均低于其他三科植物。nifH基因多样性在根叶间无显著差异，但豆科植物根系固氮菌多样性显著低于叶片，反映其功能菌群的选择性富集。

3. 细菌β多样性分析

PCoA和PERMANOVA显示，植物家族对微生物群落结构的影响（R²=0.218, p=0.005）显著大于组织部位（R²=0.051, p=0.393）。nifH基因群落结构同样受植物家族主导（R²=0.286, p=0.001），叶片菌群离散度更高，可能与气源微生物输入有关。

4. 高寒植物内生固氮菌分离

从嵩草、苜蓿、羊茅等植物中分离出27株固氮菌，系统发育分析显示叶片以不动杆菌（Acinetobacter）、红球菌（Rhodococcus）为主，根系以中华根瘤菌（Sinorhizobium）、泛菌（Pantoea）为优势属。豆科植物（如草木樨、棘豆）优先招募根瘤菌科共生菌，而非豆科植物固氮菌多样性更广，涵盖微杆菌（Microbacterium）等稀有类群。

5. 亚热带环境对比

与高寒环境相反，亚热带植物根叶微生物均以变形菌门为主导（16S rRNA占比44.25%-87.71%），蓝藻门几乎缺失（nifH基因检测占比<0.1%），凸显高寒环境对光合固氮菌的强选择性。

结论与意义

本研究首次系统揭示了高寒草甸植物根叶固氮菌群的结构分异规律：根系通过高多样性菌群协同适应土壤环境，而叶际依赖蓝藻门等光合固氮菌应对氮限制；豆科植物虽结瘤罕见，仍通过根瘤菌科菌株维持固氮优势。该发现突破了传统共生固氮理论框架，为解析非豆科植物氮获取策略提供了新证据。成果发表于《Microbial Ecology》，对高寒草地生态修复、作物-微生物互作优化及气候变化下氮循环调控具有重要指导价值。未来需结合宏基因组学与代谢组学，深入挖掘关键固氮菌的功能基因表达及环境驱动机制。