镉污染土壤中微生物群落及其网络相互作用对盐碱胁迫的响应

土壤盐碱化（saline-alkaline，SA）和盐碱化造成的土地退化对农业尤其是干旱或半干旱地区来说是一个世界性的重大问题。土壤盐碱化会造成土地退化、改变土壤功能、破坏土壤健康以及促进植物中重金属的生物积累，但人们对其微生物群落的形成和相互作用的基本机制知之甚少。

本研究探讨了盐碱胁迫对华北平原德州、保定、新乡、北京和沈阳市不同Cd污染土壤中细菌和真菌群落结构的影响。拟解决的科学问题如下：

（1）确定各种污染土壤中Cd的有效性和植物对SA胁迫有何响应？

（2）响应土壤SA胁迫和Cd毒性而显著改变的敏感微生物群落有哪些？

（3）鉴定土壤微生物之间的相互作用，并确定在环境胁迫下维持微生物群落结构和功能的关键物种。

研究设计

1、样品采集：从德州（DZ）、保定（BD）、新乡（XX）、北京（BJ）和沈阳（SY）五个地点收集了自然Cd²⁺污染的表层土壤样品（0-20 cm）（下表）。这些土壤中的Cd浓度超过了《中国土壤环境质量标准》 GB15618-2018中记录的浓度限值（0.6 mg/kg，6.5 <pH <7.5）。

2、实验处理：不施加SA胁迫（对照组，CK），添加0.5%（比例NaCl：Na₂SO₄：NaHCO₃：Na₂CO₃=1: 9: 9: 1，pH=8.8）的盐碱胁迫（处理组，SA）。植物盆栽实验，种植小麦种子，7周后收集根系和枝干。

3、理化性质：小麦根长测定；土壤理化性质检测，包括：溶解有机碳（DOC）、pH、电导率（EC）；Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和无机阴离子（Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-）的浓度；根的抗氧化酶和质膜（PM）H⁺-ATPase活性。

4、高通量测序：收取花盆中0-5 cm土壤，16S rRNA V3-V4和18S rRNA V5-V7区测序。

研究结果

1、小麦生物量，根部Cd浓度和溶液中Cd²⁺浓度

研究表明，在SA胁迫下小麦根系生物量减少而Cd浓度增加。与SY土壤中的CK相比，SA处理后的根生物量减少了43.5%，而Cd浓度增加了33.4%。Cd的植物毒性和生物利用度主要取决于土壤孔隙水中溶解的Cd²⁺浓度。土壤溶液中游离Cd²⁺的浓度可作为直接金属指示物表明土壤中可供植物吸收重金属。

2、抗氧化酶和PM H⁺-ATPase的活性

SA胁迫与Cd污染相结合会显著抑制小麦根系抗氧化酶（APX，SOD和CAT）和PMH⁺-ATPase。例如，在SY土壤中CAT活性的最大下降（33.6%）和H⁺-ATPase（26.4%）最大，而在BJ土壤中分别仅下降了8.2%和11.3%（下图）。该结果表明，SA胁迫对小麦根系酶活性的抑制作用可能是土壤特异性的，土壤溶液性质可能在植物中起着抗氧化胁迫的关键作用。

3、土壤微生物群落结构分析

与CK对照组相比，SA处理降低了细菌的物种多样性（Chao, Shannon, Simpson）；而对真菌而言，这种影响并不相同。PCA分析显示，通过SA和CK处理，土壤细菌群落显著分离（下图）。而不同土壤类型的真菌群落组成明显不同。SA胁迫对改变真菌群落组成的影响较小（下图）。

对微生物群落组成研究表明，细菌群落主要由门类的变形杆菌、酸性杆菌、放线菌、绿弯曲菌和拟杆菌组成。来自不同地点的土壤样品的群落结构不同，CK和SA处理之间丰富的门有明显变化。

那么在单独施用Cd或联合施用Cd和SA胁迫处理中，有哪些特定细菌群发生了显著变化？研究根据两种不同的分组模式进行了LEfSe差异物种分析。

在CK组土壤中，Proteobacteria, Sphingomonadaceae, Beta-proteobacteriales, 6_norank, Actinobacteria和Chloroflexi发生了富集。SA处理组土壤中，Bacteroidetes, Sphingobacteriaceae, Proteobacteria, Xanthomonadaceae, Cellvibrionaceae等富集（下图）。这些标志物反映了分析的细菌群落之间的丰度差异，有助于概述特定处理的微生物群落结构。

在所有处理中，真菌群落均以Ascomycota为主，在BD，XX和BJ土壤中也鉴定出了毛霉菌和担子菌。与细菌不同，与土壤差异相比，SA胁迫对真菌微生物群的影响较小（下图）。

4、土壤理化性质与微生物群落的相关性

RDA分析表明，土壤理化性质pH、DOC和Na⁺、Ca²⁺、Cd²⁺浓度是驱动细菌和真菌群落组成显著变化的环境因素（P <0.05，下图）。土壤溶液中的DOC含量和碱性阳离子的浓度似乎在确定土壤微生物群落中起关键作用。此外，Cd²⁺的浓度与某些碱性阳离子（如Na⁺、Ca²⁺、Cd²⁺）正相关，表明土壤中有效Cd的含量可能由于添加中性和碱性盐而增加（下图）。

5、微生物群落的系统发育网络图分析

为了研究SA胁迫对NCP不同Cd污染土壤中微生物相互作用的影响，针对CK和SA处理中的土壤细菌和真菌群落构建了pMEN网络图。SA胁迫后，细菌和真菌网络显示出不同的共发生模式。SA细菌网络相对于CK包含更复杂的相互作用：就结点总数，平均连接性，平均聚类系数和平均路径距离的增加而言，SA网络比CK网络更为复杂（下表）。所有pMENs均显示出更多的负链接，尤其是在添加中性和碱性盐后（下图）。不同属之间的负相互作用可能源自不同的生态位适应。

CK和SA网络中的大多数节点都位于外围节点（下图，Zi <2.5和Pi <0.62）。连接器是在构建群落中起关键作用的生物，决定了生境中能量代谢，物质转化或养分循环的效率。本研究中，连接器中的主要细菌有Actinobacteria, Proteobacteria, Gemmatimonadetes, Acidobacteria；真菌为Ascomycota。值得注意的是，鞘氨醇单胞菌、水生植物和镰刀菌是连接器中相对丰度较高的物种（> 1%）；而孢子囊、冬虫病、孢子囊和普鲁士属，相对丰度非常低（<0.1%）。这些结果表明，一些低丰度微生物可能是土壤微生物群中的关键成员，并且在维持生态功能方面比某些丰富属更可能发挥关键作用。

网络图研究表明，在SA处理中，细菌和真菌均比CK识别出更多的连接器物种，这表明SA胁迫确实改变了微生物的拓扑作用并重组了关键族群。

总结

在这项研究中，我们发现增加盐分和碱度会增加华北平原不同Cd污染土壤中Cd的利用率。土壤细菌对SA胁迫的反应比真菌更活跃，而真菌对土壤类型差异更敏感。为了适应压力环境，微生物群落组成和网络相互作用发生了变化，这可能是由于相互竞争引起的。研究探索了微生物对SA胁迫或土壤差异的响应中的生态作用，以及鉴定在SA处理组的土壤关键物种，以触发其对SA胁迫和Cd毒性的抗性或耐受性。这项研究使得我们对于微生物群落适应压力环境有了更好理解。

【参考文献】

Responses of soil microbial communities and their network interactions to saline-alkaline stress in Cd-contaminated soils. Environmental Pollution, 2019.

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