休耕地上四种饲草作物叶际微生物群落受叶片结构、生理特性与化学性质影响的机制研究

《Microbial Ecology》：Effects of Leaf Structure, Physiological Characteristics, and Chemical Properties on Phyllosphere Microorganisms Associated with Four Forage Crops in Fallow Land

　　本研究针对休耕地上饲草叶际微生物群落形成机制不清的问题，系统探讨了小麦、黑麦、大麦和意大利黑麦草四种饲草叶片的结构、生理和化学性质对其叶际微生物（包括好氧细菌、乳酸菌、霉菌和酵母菌）丰度的影响。研究发现小麦叶片微生物丰度最高，可溶性糖含量和气孔密度是调控微生物群落的关键因子。该研究为理解植物-微生物互作及优化饲草管理提供了重要科学依据。

　　

在广阔的农田生态系统中，植物的地上部分，尤其是叶片表面，形成了一个独特而活跃的微生态系统——叶际（Phyllosphere）。这里栖息着数量庞大、种类繁多的微生物，包括细菌、真菌和酵母等。这些微小的“居民”并非简单的过客，它们在促进植物健康生长、增强植物抗病能力以及维持生态系统功能方面扮演着至关重要的角色。例如，某些叶际微生物能够帮助植物吸收养分，而另一些则能有效抑制病原菌的侵染。然而，究竟是什么因素决定了哪些微生物能够成功在叶片上“安家落户”，并繁衍壮大？这个问题的答案至今尚未完全明晰。现有研究表明，叶片本身的特性，如其物理结构、生理活动以及化学组成，都可能对微生物的定殖产生深远影响。特别是在休耕地上种植的多种饲草作物，其叶际微生物群落的研究相对缺乏，不同饲草叶片的各种特性如何共同影响微生物丰度的机制更有待深入探究。

为了回答上述问题，由Zhaotong大学的翟丽珍、杨金梅等研究人员组成的研究团队，在《Microbial Ecology》上发表了他们的最新研究成果。该研究选取了四种常见的饲草作物——小麦（Triticum aestivum）、黑麦（Secale cereale）、大麦（Hordeum vulgare）和意大利黑麦草（Lolium multiflorum），系统比较了它们的叶片结构（如气孔密度、表皮特性）、生理特性（如光合速率、蒸腾速率）和化学性质（如可溶性糖、还原糖含量）如何影响其叶际（包括整个叶片和叶面）微生物的多样性和丰度。研究旨在揭示这些因素如何共同塑造饲草作物的叶际微生物群落。

研究人员综合运用了多种技术方法。研究在云南昭通大学的试验田进行，种植了四种饲草作物。采样时分别收集了整个叶片样本和通过无菌棉签擦拭获得的叶面样本。叶片化学性质分析包括测定可溶性糖（蔗酮比色法）、还原糖（DNS法）、可溶性蛋白（考马斯亮蓝法）、总酚（Folin-Ciocalteu法）等含量。叶片生理特性使用LI-6800便携式光合作用系统测定净光合速率（A）、蒸腾速率（E）、胞间CO₂浓度（Ci）、气孔导度（Gsw, Gtw, Gtc）等参数。叶片结构方面，通过透明指甲油印记法观测气孔密度，并使用扫描电子显微镜（SEM）观察叶片上下表面的微观结构。微生物计数则采用平板涂布法，使用特定培养基对好氧细菌、乳酸菌（LAB）、霉菌和酵母菌进行培养和菌落形成单位（cfu）计数。数据分析采用方差分析、相关性分析和线性回归模型等方法。

Effects of Crop and Sample Types on Microbial Numbers

研究结果显示，作物种类和样本类型（整个叶片 vs. 叶面）显著影响微生物数量。在整个叶片中，小麦的好氧细菌、乳酸菌（LAB）、霉菌和酵母菌数量均显著高于其他三种饲草。而在叶面上，微生物丰度普遍低于整个叶片，但小麦的多种微生物数量仍相对较高或处于较高水平。这表明叶片内部为微生物提供了更稳定、营养更丰富的环境。

Effects of Crop and Sample Types on Nutrient Composition and Moisture Retention Capacity

四种饲草叶片的化学性质存在显著差异。小麦叶片的可溶性糖含量最高，而黑麦和意大利黑麦草的总酚含量较高。在叶面化学成分上，意大利黑麦草的可溶性糖和游离氨基酸含量较高。叶片持水能力在不同作物间无显著差异。

Effects of Crop Type on Photosynthetic Properties, Stomatal Density, and Cuticular Permeability

光合特性参数显示，大麦的蒸腾速率（E）、净光合速率（A）及各项导度（Gsw, Gtw, Gtc）均显著高于其他作物。气孔密度方面，所有作物叶片下表面的气孔密度均显著高于上表面，其中大麦下表面气孔密度最高。小麦的角质层透水性（水分散失率）最高。

Structural Characteristics of leaf Surfaces Across Different Crop and Sample Types

扫描电镜观察揭示了叶片表面的微观结构差异。小麦和上表面细胞排列整齐、相对光滑，而黑麦和意大利黑麦草上表面则较为粗糙。在下表面，黑麦和意大利黑麦草观察到了明显的毛状附属结构。

Correlation Analysis Among Physico-chemical Properties and Microbial Numbers

相关性分析表明，在整个叶片中，可溶性糖含量与所有四种微生物数量均呈显著正相关；而上表面气孔密度则与好氧细菌、LAB和霉菌数量呈显著负相关。一些光合参数如Ci与LAB和酵母菌数量正相关，而E和A则与好氧细菌等数量负相关。在叶面，还原糖含量与LAB和霉菌数量正相关，上表面气孔密度与好氧细菌和酵母菌数量负相关。

Development of a Linear Regression Model to Analyze the Correlation Between Environmental Factors and Microbial Population Sizes

通过构建线性回归模型，研究人员进一步量化了环境因子对微生物数量的影响。在整个叶片中，好氧细菌丰度主要受总水汽导度（Gtw）和上表面气孔密度影响；LAB丰度与可溶性糖含量和上表面气孔密度密切相关；霉菌丰度主要受可溶性糖含量影响；而酵母菌丰度则与Ci关系最密切。在叶面微生物方面，好氧细菌丰度受Ci影响；LAB和霉菌丰度均与还原糖含量紧密相关；酵母菌丰度则受上表面气孔密度影响。

综合研究结果与讨论，本研究得出以下核心结论：饲草作物的叶片形态结构、生理特性和化学组成共同决定了其叶际微生物的定殖模式和丰度。其中，小麦由于其较高的可溶性糖含量和特定的叶片结构，支持了更高的微生物丰度。可溶性糖作为关键的碳源，是驱动整个叶片微生物（尤其是LAB）生长的主要因素；而还原糖则更倾向于支持叶面霉菌和LAB的生长。气孔密度通过影响叶片表面的微环境（如湿度）来调节微生物的生存，较高的气孔密度往往伴随着更快的蒸腾作用，可能导致叶面干燥而不利于某些微生物生长。叶片表面的物理结构（如光滑度、毛状体）影响了微生物的初始附着和后续群落的建立。

这项研究的重要意义在于，它系统地揭示了在休耕地环境下，不同饲草作物通过其叶片特性筛选和塑造独特叶际微生物群落的机制。研究不仅验证了“较高气孔密度通过增加叶面水分散失而减少微生物定殖”以及“更复杂的叶面结构促进微生物生存”的假设，还明确了糖分和气孔特性作为关键调控因子。这些发现深化了对植物-微生物相互作用的理解，为未来通过选育特定性状的饲草品种或优化田间管理措施（如合理施肥以调节叶片营养成分）来调控叶际微生物群落、进而提升饲草健康和生产性能提供了坚实的理论依据和潜在的实践路径。研究也指出，未来结合高通量测序技术深入解析微生物群落组成和功能，将能更全面地揭示叶际微生态系统的运作机制。