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西北农林科技大学韦革宏课题组揭示甘草根系微生物群落分布及其与根内次级代谢产物之间的联系

日前，西北农林科技大学生命科学学院韦革宏课题组针对不同品种甘草根系微生物食物网络的特异性及其对根内次级代谢产物的调控机制的研究在Science of The Total Environment上发表；其次前期还对甘草不同生态型、不同生长年限的根系微生物群落进行探究，揭示了甘草根系微生物群落在空间和时间尺度上的分布模式及其与根内次级代谢产物之间的联系。相关成果发表在Journal of Integrative Plant Biology与Plant and Soil上。后期还针对甘草栽培过程中的连作障碍问题，从化感自毒作用的角度出发，结合组学数据和菌群的分离及回接验证实验，探究甘草根际特异性细菌对甘草化感自毒作用的缓解效果，研究成果目前在整理投稿中。本系列论文的主要通讯作者是西北农林科技大学生命科学学院的韦革宏教授，第一作者是2018级博士生刘洋。

首先，刘洋博士等人在2018年7月对西北地区五个采样地点的甘草根系微生物群落及其与根内次级代谢产物的关系进行采样研究，发现地理距离和土壤速效氮驱动了甘草植株生态型的分化，同时发现植物群落不同程度的与不同采样部位的根系微生物群落显著相关。根系微生物群落不仅受植物群落的影响，还受地理和环境因素的影响（图1）。此外，甘草根内次级代谢产物受到多种非生物和生物因素的综合调控（图2）。该研究加深了环境与植物和微生物群落之间复杂相互作用对根内次级代谢产物调控机制的理解，为选择合适的种植区域和管理方法从而产出更高质量的甘草提供理论依据(Liu et al. 2021)。

图1：甘草生态型与根系微生物群落之间的相关性及不同生态型甘草根系微生物群落的分布状况。

图2 非生物与生物因素对甘草根内次级代谢产物的调控机制。

其次，研究人员对不同生长年限甘草的根系微生物群落、根内次级代谢产物与土壤理化性质进行研究，发现甘草在植物发育过程中特异性地选择了一些核心细菌（图3），且土壤总钾（TK）与根内次级代谢产物和根系的部分核心类群相关（图4），这一发现为高效地管理栽培甘草提供了理论依据(Liu et al. 2020b)。

图3：甘草不同采样部位的核心细菌群落及其时间衰减关系。

图4：根系核心细菌群落与土壤理化性质的相关性及土壤总钾与特定类群的相关性。

然后，对野生和栽培甘草根系微生物群落的微食物网及其与根内次级代谢产物的关系进行研究，发现与真菌群落相比，原生生物群落表现出更低的alpha多样性与更高的beta多样性（图5），并表现出更高的随机性过程。土壤真菌在调节根内次级代谢产物方面比土壤原生生物发挥着更重要的作用。此外，野生与栽培甘草以及不同采样部位的微食物网具有特异性。网络中的特定响应模块对根内次级代谢产物的调控至关重要（图6），这些模块在土壤原生生物存在下能直接或间接地调节根内次级代谢产物（图7）。表明根内次级代谢产物不仅受土壤微生物群落单独或简单的内部关联调控，还受不同类型微生物群落之间潜在关系的调控(Liu et al. 2022)。

图5：土壤真核微生物的多样性及分布模式。

图6：土壤微食物网的分布与稳定性以及网络模块和土壤理化性质的关系。

图7：土壤理化性质与微食物网对根内次级代谢产物的调控作用。

刘洋博士在读期间在菜豆核心微生物组生物地理分布以及黄土高原退耕还草恢复过程中土壤微生物群落的时空演替规律的研究中取得一些进展。揭示了菜豆植株地上与地下部分相关核心细菌群落的构建受随机性主导(Liu et al. 2020a)；阐明了黄土高原退耕还草恢复过程中不同恢复年限及地形下土壤微生物群落的时空演替模式(Liu et al. 2020c,Liu et al. 2019)。截至目前，刘洋博士以第一作者共发表SCI论文6篇，中科院一区2篇，二区4篇，累积影响因子达33.73。

编译：李达、刘洋

参考文献：

【1】Liu Y, Li D, Gao H, Li Y, Chen W, Jiao S, Wei G (2022) Regulation of soil micro-foodwebs to root secondary metabolites in cultivated and wild licorice plants. Sci Total Environ:154302. doi:10.1016/j.scitotenv.2022.154302

【2】Liu Y, Wang H, Peng Z, Li D, Chen W, Jiao S, Wei G (2021) Regulation of root secondary metabolites by partial root-associated microbiotas under the shaping of licorice ecotypic differentiation in northwest China. J Integr Plant Biol. doi:10.1111/jipb.13179

【3】Liu Y, Li Y, Luo W, Liu S, Chen W, Chen C, Jiao S, Wei G (2020b) Soil potassium is correlated with root secondary metabolites and root-associated core bacteria in licorice of different ages. Plant Soil:1-19. doi:10.1007/s11104-020-04692-0

【4】Liu Y, Li D, Qi J, Peng Z, Chen W, Wei G, Jiao S (2020a) Stochastic processes shape the biogeographic variations in core bacterial communities between aerial and belowground compartments of common bean. Environmental microbiology. doi:10.1111/1462-2920.15227

【5】Liu Y, Chen X, Liu J, Liu T, Cheng J, Wei G, Lin Y (2019) Temporal and spatial succession and dynamics of soil fungal communities in restored grassland on the Loess Plateau in China. Land Degradation & Development 30 (11):1273-1287. doi:10.1002/ldr.3289

【6】Liu Y, Zhang L, Lu J, Chen W, Wei G, Lin Y (2020c) Topography affects the soil conditions and bacterial communities along a restoration gradient on Loess-Plateau. Applied Soil Ecology 150. doi:10.1016/j.apsoil.2019.103471

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