低肥力土壤中促进作物生长：基于主场优势的微生物解决方案

Home-based microbial solution to boost crop growth in low-fertility soil

Article，2023-5-07，New Phytologist，[IF 10.32]

DOI：https://doi.org/10.1111/nph.18943

原文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18943

第一作者：Meitong Jiang (姜美彤)

通讯作者：Yuting Liang (梁玉婷)

合作作者：Delgado-Baquerizo Manuel, Mengting Maggie Yuan, Jixian Ding（丁骥贤）, Etienne Yergeau,  Jizhong Zhou（周集中）, Thomas W . Crowther

主要单位：中国科学院南京土壤所（State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences , Nanjing, 210000, China）

2中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China）

3塞维利亚自然资源和农业生物研究所（IRNAS）（Laboratorio de Biodiversidad y Funcionamiento Ecosistémico. Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNAS), CSIC, Av. Reina Mercedes 10, E-41012, Sevilla, Spain.）

4 巴布罗·德奥拉维戴大学（Unidad Asociada CSIC-UPO (BioFun). Universidad Pablo de Olavide, 41013 Sevilla, Spain.）

5加州大学伯克利分校环境科学、政策和管理系（Department of Environmental Science, Policy and Management, University of California, Berkeley, CA, 94720, USA）

6国家科学研究所Armand Frappier Santé生物技术中心（Centre Armand-Frappier Santé Biotechnologie, Institut national de la recherche scientifique, Laval H7V 1B7, Québec, Canada）

7美国俄克拉何马州诺曼市俄克拉荷马大学微生物与植物生物学系（Institute for Environmental Genomics, Department of Microbiology and Plant Biology, University of Oklahoma, Norman, OK 73019, USA）

8瑞士苏黎世联邦理工学院综合生物学研究所环境系统科学系（Department of Environmental Systems Science, Institute of Integrative Biology, ETH Zurich, 8092, Switzerland）

- 摘要 -

土壤微生物接种剂有望在气候变化和土壤退化的情况下提高作物生产力。然而，在不同肥力的土壤中，天然微生物接种剂和商品化微生物接种剂的效率以及对常驻微生物群落的影响尚不清楚。我们研究了植物对天然合成微生物群落（SynCom）和商业植物根际促生菌（PGPR）的不同生长响应。量化了微生物定殖和生态位结构的动态，以强调原生微生物接种剂的主场优势。一种由原产于三种典型的农业土壤的21种细菌菌株组成的原生SynCom，在低肥力的条件下具有促进植物生长的特殊优势。SynCom使根冠鲜重比增加了78-121%，而PGPR仅增加了23-86%。这种表型与SynCom潜在的强大定殖以及与本土微生物群落的积极相互作用相关。生态位宽度分析表明，接种SynCom对生态位结构产生了中性干扰。然而，即使PGPRs未能在天然土壤中定殖，它们也降低了生态位宽度，并增加了59.2%至62.4%的生态位重叠，加剧了竞争。这些结果表明，本土微生物的主场优势可以作为工程作物微生物群的基础，以支持广泛分布的贫瘠土壤中的粮食生产。

- 引言 -

微生物产品被认为是一种环境友好的农业战略，有可能促进土壤生物多样性和提高作物生产力。在一个人口不断增长、气候变化和土壤退化带来压力的世界里，开发环境兼容和高效的土壤微生物接种剂对于提高作物产量至关重要。微生物接种剂通常包括具有促进作物抵抗生物和非生物胁迫的目标功能性状的潜在有益微生物。例如，植物根际促生菌（PGPR）可以提升植物对干旱和盐胁迫的耐受性。有益的植物-微生物相互作用通过联合固氮、磷溶解和植物激素调节促进作物生长。然而，这些商业产品通常在不同的环境条件下应用于微生物类群，由于缺乏对环境兼容性和田间表现的评估，商业微生物接种剂的功效仍然不可靠。因此，一个紧迫的问题是评估这些微生物群落在不同环境条件下的表现，例如，具有不同肥力的土壤。

与“外来”相比，在“本土”的微生物群落可以优化其表现和生态系统功能，这被称为“主场优势”。由于植物微生物组是宿主和土壤类型特异性，外来微生物在土壤中定殖并提供所需功能的成功与否在很大程度上取决于环境。因此，与天然微生物接种剂相比，性能不稳定的外部接种剂的预期较低。商业化的微生物接种剂大多过于简单，包括一些来自非本地土壤的微生物。由于没有考虑代谢可塑性、微生物相互作用以及微生物多样性在促进土壤功能方面的根本重要性，这些微生物群落通常无法在田间条件下发挥所需的功能。

最近使用合成微生物群落（SynCom）方法的研究强调了使用本土微生物通过各种植物生长促进活动提高植物生产力和抵御生物和非生物胁迫的能力的优势。在原生环境条件下，共生微生物群落与植物宿主共同进化，有望支持植物高效生长。特别是在营养匮乏的条件下土著微生物群落可以对土壤功能和植物发育产生长期的积极影响（即遗留效应）。然而，这种优势可能会被本地微生物群落中的宿主特异性病原体抵消甚至逆转。特别是外来微生物的引入可能会对常驻微生物产生短暂或持久的影响，这一现象在不同的土壤类型和环境条件下仍然是不可预测的。由本土有益微生物开发的微生物接种剂将对其原始土壤环境产生相对更可预测的影响，从而在农业上提供更安全的选择。然而，很少有研究比较商业外来PGPRs与本土微生物群落在不同肥力土壤中提高作物生产力的有效性和性能。

在这里，我们评估了本地和外来微生物群落在高肥力到低肥力土壤中促进玉米生长的贡献。我们比较了两种微生物接种剂的性能，包括一种由来自三种典型旱地农业土壤中玉米根际的21种本土菌株组成的SynCom，以及一种使用商业化PGPRs的微生物接种剂。我们假设，原生SynCom可以通过适应生长条件迅速在根际定殖，并通过提供必需的营养元素和植物激素来缓解植物营养压力，尤其是在低肥力土壤中。然而，PGPR的影响取决于环境，在低肥力土壤中营养竞争加剧。我们的研究结果表明，本土优势推动了本地SynCom对低肥力土壤中作物生长的积极影响，为SynCom的进一步田间应用设计提供了指导。

- 结果 -

不同肥力土壤类型的玉米根际微生物群

Distinct microbiota in maize rhizospheres across soil types of different fertility

3种土壤类型的田间玉米根际细菌群落的多样性和组成以16S rRNA绝对定量测序测定（表S3）。稀疏曲线显示出对多样性的良好覆盖（图S1a）。黑土（Mollisol）和潮土（Inceptisol）的Shannon多样性指数远高于红壤（Ultisol）（P<0.05）（图S1b），而Chao1指数在潮土（Inceptisor）中最高，其次是黑土（Mollisol）和红壤（Ultisol）（P<0.05），（图S1c）。冗余分析表明，土壤类型解释了土壤微生物群的大部分变化（图S1d）。黑土中的优势属为Gp6、Gaiella和Gp4；潮土中为Nitrosospeera、Gp4和Gp6；红壤中为Nocardioides， Gaiella， 和 Arthrobacter（图S2）。此外，根据土壤有机质的分子组成和养分含量，如总氮、总磷、有效氮和有效磷，黑土表现出较高的土壤肥力，而潮土和红壤则是低肥力土壤（图S3，表S4）。

Fig. S1 Mollisol、Inceptisol和Ultisol根际微生物群落的α和β多样性。

Mollisol、Inceptisol和Ultisol的原始田间根际土壤样品的a稀疏曲线、b Shannon和c Chao1指数。通过配对Wilcoxon秩和检验进行统计分析（*表示P＜0.05，**表示P＜0.01，***表示P＜0.001)。在所有方框图中，水平条表示中间值。方框的顶部和底部分别显示了第75个百分点和第25个百分点。测量了n=6个根际土壤样品，无显著差异标记为ns。d冗余度分析表明，土壤类型是细菌群落变异的主要来源。每个点对应于按土壤类型着色的不同样本。SOM，土壤有机质；TN，总氮；TP，总磷；AN，有效氮；AP，有效磷。

Fig. S2 16S rRNA的绝对定量，以揭示根际微生物21群落组成。

22个Mollisol、Inceptisol和Ultisol根际土壤样本中a门和b属水平的前10个细菌类群。

Fig. S3现场环境样品的理化性质。

a土壤中有机碳的化学结构。不稳定的碳成分以粗体表示。b和c根际土壤和c植物样品的理化性质。SOM，土壤有机质；TN，总氮；TP，总磷；TK，总钾；AN，有效氮；AP，有效磷；AK，有效钾；TC，总碳。对n=6个根际土壤样植物样品进行了测定。使用非参数检验的多重比较（Nemenyi检验），b和c中的不同字母表示显著差异（P<0.05）。在方框的图中，水平条表示中位数。方框的顶部和底部分别显示百分点，即第75个百分点和第25个百分点。

天然SynCom的设计及其促进生长的效果

Design of native SynCom and its growth-promoting effects.

使用四种不同的营养培养基从根际土壤样品中获得了47株细菌（表S2）。其中21种不同的微生物物种在三种土壤中普遍存在，它们在目水平上属于最丰富的类群（图1a，图S4）。除了Sphingomonas desiccabilis是从生物土壤结皮中分离出来的之外，这些物种都已被报道具有有益于植物的能力。因此，我们使用这21个可培养菌株构建了一个天然的SynCom。

在接种SynCom的温室实验中，我们发现SynCom对植物的促进作用因肥力条件而异（图1b，c）。一致地是，在V4-V8期间的第35、42和56天的玉米发育阶段，与未接种对照（CK）相比，SynCom接种使红壤（Ultisol）的叶绿素含量显著增加了24-35%（P<0.05），其次是潮土（Inceptisol）（18-27%，P<0.05）和黑土（Molisol）（1-3%，P>0.05）。在第35天（67%，P＜0.001）和第56天（36%，P＜0.01），潮土（Inceptisol）的株高随着SynCom的接种而明显增加。同时，红壤（Ultisol）和黑土（Mollisol）的株高分别增加了23-38%（P＜0.05）和9-21%（P＞0.05）。

Fig. 1 温室实验设计和接种SynCom的玉米生长。

a使用来自三种农业土壤的玉米根际样品分离可培养细菌(①). 如Venn图所示，共获得47个细菌分离株，并鉴定出21个独特物种为三种土壤即Mollisol、Inceptisol和Ultisol(②) 的常见物种。每个菌株被独立培养并以相等的比例组合以产生天然合成微生物群落（SynCom）。将V3生长期的玉米幼苗接种SynCom后移植到土壤中，每个处理有4个独立的生物复制。实验在V8生长阶段结束。b Mollisol、Inceptisol和Ultisol中在35天（V4-V5阶段）56天（V7-V8阶段）接种微生物的玉米（Zhengdan 958）表型。比例尺，10 cm。c在不同发育阶段（35、42和56天），SynCom处理和CK之间的叶片SPAD和株高。Δ的符号表示接种和接种处理之间的差异。使用非参数检验的多重比较（Nemenyi检验），c中的不同字母表示显著差异（P<0.05）。对玉米的n=4个生物重复进行了评估。对于SPAD值，对每株植物进行三次测量。在小提琴图中，横杠代表中间位。方框的顶部和底部分别显示了第75个百分位数和第25个百分位位数。

原生微生物群落的潜在功能特征

Potential functional traits of the native microbial community

对根际土壤样本进行宏基因组测序，以评估“本土”原始土壤微生物群落的组成和功能（表S5）。在所有土壤样品中，KEGG 3级途径都富含碳水化合物和氨基酸代谢途径（图S5a）。然后对宏基因组进行组装，从土壤中提取种群基因组信息。除目水平上的bin.6外，每个系统发育都在科水平上进行了注释。总共获得了27个箱，其完整性大于50%。六个基因组显示出低于5%的污染，并被选为高质量基因组以注释潜在的基因组功能（图S5b）。它们属于Micrococcaceae， Conexibacteraceae， Rhizobiaceae， 和Xanthomonadaceae，分别占科水平丰度的9.5%、4.2%、6.8%和5.7%。Burkholderiales的丰度在目水平上占18.72%。Micrococcaceae 和Rhizobiaceae的绝对丰度在红壤（Ultisol）中最高（图2a）。

随后，通过RAST自动化平台对高质量组装的基因组进行注释，发现其与氮代谢、TCA循环、细胞趋化性、氧化应激和植物生长激素的生物合成（如IAA的产生）有关（图2b）。一些基因组包含氮同化还原（nirA，nirB）和氨化（ure）的途径。在所有基因组中都发现了在低磷条件下具有高亲和力的无机磷转运蛋白基因（pst）。色氨酸是IAA生物合成的主要前体，通过色氨酸操纵子（trp）生物合成，在所有组装的基因组中都被鉴定到。细菌生长素生物合成的吲哚-3丙酮酸（IPyA）途径是在bin.9 (Micrococcaceae)的完全代谢途径中发现的，并且bin.9可以通过色胺（TAM）途径产生IAA。

使用基于随机矩阵理论的分子生态网络分析对假定的根际微生物网络进行了研究（图S6a）。主要模块与玉米秸秆和谷重关系密切（图S6b、c和d）。潮土（Inceptisol）优势模块（模块#2）与种子和秸秆氮含量以及种子磷含量呈正相关。红壤（Ultisol）优势模块（模块#4）与种子碳、磷含量以及生物量表现出类似的相关性。低肥力土壤中常驻类群的群落组装模块与作物产量密切相关，表明常驻微生物在胁迫条件下促进植物生长的自然优势。

Fig. S5宏基因组binning和功能聚类。

a基于Bray Curtis距离的KEGG结果的宏基因组功能聚类。每组的KO (KEGG  orthology)丰度从KEGG数据库第3级获得。b利用rpoD序列的箱(完整性> 50%，污染< 10%)之间的系统发育关系。因为缺少rpoD基因，基因组不完整，五个基因组(bin.2，bin.7，bin.17，bin.22和bin.25)中没有包括在内。彩色点表明组装基因组的污染率低于5%。使用NJ方法构建系统图。显示的自举值> 50。

Fig. 2从土壤基因组中获得的高质量基因组。

a不同土壤中项谱系的绝对丰度。数据通过绝对定量测序获得。使用非参数检验的多重比较(Nemenyi检验)，c中的不同字母表示显著差异(P < 0.05)。非显著性差异未被标记。数据展示平均值±样本标准误差。b 天然微生物群落的高质量基因组箱(完整性> 50%，污染< 5%)表明了代谢灵活性和生产植物激素的潜力。选定的代谢途径，包括氮代谢和吲哚乙酸(IAA)生产，以编码蛋白质酶的基因的名称来表示，该基因通过对照KASS数据库搜索预测的蛋白质来编码。列出了其他相关的细胞活动。只有当参与相同途径/过程的操纵子的所有或大多数基因被检测为存在时，途径才被显示；如果没有，则使用虚线。基因旁边的彩色圆圈表示分配给该颜色的bin(见下面的图例)编码了该基因。indCM，吲哚丙酮酸；indPRY，吲哚丙酮酸甲基转移酶；indCH，吲哚-3-乙醛；IAA，吲哚乙酸；SOD超氧化物歧化酶。

Fig. S6微生物网络模块、宏基因组箱和植物性状的关联。

a使用基于随机矩阵理论(RMT)的网络方法构建的基于皮尔逊相关性的共现网络。数据通过完全定量测序获得。节点的大小代表它们的丰度，不同的颜色代表不同的模块。b不同土壤中丰富的模块。Wilcoxon检验用于评估差异的显著性(*表示P < 0.05;**表示P < 0.01;***表示P < 0.001)。非显著性差异不标记。每种土壤n = 6。c优势模块中箱谱系的分布。d优势网络模块中物种的绝对丰度与植物性状的Spearman等级相关性的热图。依赖土壤肥力的微生物接种剂促生效应

微生物接种剂的促生效应依赖土壤肥力

Fertility-dependent promotion efficiency of microbial inoculants

为了进一步验证本地微生物接种剂与外来微生物接种剂的相对效果，我们选择了四种具有与本地群落相似的植物生长促进特性的商业PGPRs，包括具有固氮作用的Rhizobium radiobacter；具有溶磷和抗真菌活性的Burkholderia cepacia；能产生IAA的 Arthrobacter ilicis以及生产抗菌化合物的Stenotrophomonas rhizophila。我们比较了天然SynCom、PGPRs和SynCom+PGPRs接种相比于 CK的效果，以量化微生物接种剂在不同肥力条件下的性能。温室试验表明，微生物接种剂的影响与肥力有关。在低肥力土壤Inceptisol和Ultisol中，接种SynCom的植物始终显著高于接种PGPRs和SynCom+PGPRs接种剂的植物(图S7)。相反，在高肥力条件下，用PGPR接种，植物生长得更好(图3b)。此外，SynCom增强了低肥力土壤中根际微生物对IAA的分泌(图3c、图S8)，IAA是一种刺激植物生长和发育的植物激素。

我们猜想，PGPRs的低多样性是否导致了PGPRs的低代谢活性，使它们在低肥力土壤中不如SynComs有效。出乎意料的是，快速生长的PGPRs显示出更高的碳代谢能力，并代谢更宽的碳源，包括碳水化合物、氨基酸、胺和聚合物(图S9a，b；表S7)。然而，与PGPRs相比，SynCom显示出对一些氨基酸、羧酸和碳水化合物代谢偏好(图S9c，d)。此外，从NCBI数据库获得的基因组信息表明外来PGPRs对于氨基糖、寡糖、有机酸、糖醇、单糖和多糖具有不同的代谢潜力(图S9e)。这些结果表明，在低肥力土壤中，除了为植物提供必需的养分和IAA外，还可能有其他关键因素影响SynCom促进植物生长和健康的功效。

Fig.3实验设计和PGPR接种的玉米生长。

a从菌株库中筛选出4株模式植物根际促生细菌(PGPR )，作为商品植物根际促生细菌。绿色: Rhizobium radiobacter，红色: Rhizobium radiobacter，蓝色: Burkholderia cepacia，黄色: Arthrobacter ilicis。每个菌株都是独立培养的，并以相等的比例组合。将V3生长期的玉米幼苗移植到不同微生物接种的土壤中，每个处理有四个独立的生物重复。实验在V8生长阶段结束。b评估了在不同发育阶段(35和56天)，PGPR处理和CK之间的玉米植株高度，生物重复n = 4。△的符号代表接种和接种处理之间的差异。c不同接种物的根际微生物分泌的IAA。测量了n = 3个根际土壤样品。使用非参数检验的多重比较(Nemenyi检验)，b和c中的不同字母表示显著差异(P < 0.05) 。在小提琴图中，横条代表中间值。方框的顶部和底部分别显示第75和25个百分点。

SynCom定殖和生态位结构的动态

SynCom colonization and dynamics of niche structure

利用SynCom成员的16S rRNA全长基因，可以将SynCom成员与温室根际群落的ASV匹配，可以作为接种菌株在土壤中存在情况和相对丰度。与任何SynCom毒株具有> 98.7%序列同一性的ASV被认为是目标ASVs。相关性分析显示有12个最佳匹配的ASVs (100%序列同一性)和3个高度匹配的ASVs (99%序列同一性)(S2表)。在种水平上，ASV127的相对丰度(Pseudomonas spp.)、ASV1479(Pseudomonas spp.)、ASV176(Klebsiella spp.)。ASV30(Serratia marcescens)和ASV60(Pseudomonas geniculata)在低肥力土壤中显著增加(图S10)。ASV127、ASV1479、ASV176和ASV60的相对丰度在高肥力土壤中显著较高。在Ultisol中，接种SynCom的根际微生物群落的Shannon指数显著增加(图4a，表S8)。在属水平上，在SynCom的11个相关属（包括所有目标ASVs）中，6个属的丰富度在Ultisol中显著增加(图4b)。然而，在PGPRs接种后，根际微生物群落的α多样性和对应于四种PGPRs的相关属的丰富度都没有变化(图4a，c)。

尽管很难在非无菌基质(如土壤)中的16S rRNA基因测序的方法明确区分接种的物种和天然微生物组，但我们设法通过12对引物追踪了SynCom的16个个体成员(图S11a，表S9)。A7、A8、A9和C8共用相同的引物，在下面没有描述。特别的，Acinetobacter pittii (C15)、Bacillus cereus (R5)、Enterobacter spp. (R6和C5)和Sphingomonas desiccabilis (X2)的丰度在Ultisol中显著增加(图S11b)。Pseudomonas koreensis (R9)、Chryseobacterium cucumeris (R11)和Sphingomonas desiccabilis (X2)明显在Inceptisol中富集，而Enterobacter spp. (R6和C5)、Lysinibacillus macroides (C6)和Bacillus cereus (R5)在Mollisol中富集。总之，这些结果支持SynCom中的一些细菌菌株能够在低肥力土壤的根际定殖。

我们发现微生物接种对土壤微生物群落组成结构没有影响(表S10)。因此，我们进一步探讨了微生物接种在群落水平上引起的生态位宽度的变化。使用SynCom接种的微生物群落的生态位宽度始终大于使用PGPRs的微生物群落的生态位宽度(P < 0.001，图S12a、b和c)。与群落水平的结果一致，在SynCom接种后，更多的ASVs(46.7-50.1%)增加了它们在低肥力土壤中的生态位，而不是减少了它们的生态位(40.1-43.7%)(图S12b，c)。生态位宽度较大的物种更具竞争力，尤其是在资源利用率较低的情况下。相反，在PGPRs接种后，更多的ASVs降低了它们在所有土壤中的生态位宽度(图4d，图S12a)。此外，计算了生态位显著增加(P < 0.05)的ASVs的生态位重叠。SynCom接种后，生态位重叠增加和减少的ASV对的比例趋于平衡，这在所有土壤中是一致的(图S12d)。然而，62.4%和59.2%的ASVs对在PGPR接种后的低肥力土壤始成土和终成土中分别表现出显著更高的生态位重叠水平(P < 0.05)(图12e)，这反映了根际群落中的激烈竞争。

Fig.4  SynCom菌株的定殖和生态位结构的动态。

a接种SynCom和PGPRs后Mollisol， Inceptisol and Ultisol中微生物群落的多样性。测量了n = 3个根际土壤样品。59在箱线图中，横条代表中间值。方框顶部和底部分别显示了第75和第25个百分点。使用非参数检验的多重比较(Nemenyi检验)，不同字母表示显著差异(P < 0.05)。不显著的差异没有标记。b和c相对丰度的ASVs与b SynCom和c PGPRs高度匹配。每个ASV的代表性序列与每株的16S rRNA基因的全长序列具有> 98.7%的序列同一性。误差线代表sd。通过配对Wilcoxon秩和检验进行统计分析(*表示P < 0.05，** 表示P < 0.01，***表示P < 0.001). d与CK相比，PGPR接种的生态位宽度的变化(P < 0.05)。使用NJ方法构建系统图，并在系统水平上着色。细菌分类群的相对丰度显示在由节点大小表示的16S rRNA系统发育树中。

SynCom的接种效应依赖于低肥力土壤的原生微生物群

The dependence of SynCom efficiency on resident microbiota from low-fertility soil

为了进一步评估微生物接种的肥力依赖性植物生长促进作用，我们在没有土壤基质的情况下对无菌玉米幼苗进行了SynCom和PGPRs的植物生长促进试验(图5a，b)。我们使用根际土壤悬浮液维持了一个简化但有代表性的天然微生物群落。我们发现，本土SynCom显著促进了低肥力土壤中的玉米幼苗生长（接种15天），如叶绿素含量、株高、根重和鲜重的根冠比的增加 (图5c)。特别是，与未接种的对照相比，使用SynCom的根冠比增加了78-121% (P < 0.001)，使用PGPRs的根冠比增加了23-86% (P < 0.01)。在营养限制条件下，如干旱、低氮和低磷有效性，较高的根冠比是一个重要的形态特征，支持作物结构并提高潜在的谷物产量。同时，差异效应大小表明，SynCom与来自低肥力土壤的原生微生物群落的相互作用导致比PGPRs更好的生长促进作用(图S13)。然而，PGPRs与来自高肥力土壤的微生物群落相互作用，促进了更好的植物生长，如根重。

为了测试本土SynCom是否仅仅因为其更高的微生物多样性而表现得比PGPRs更好，我们制备了含有仅12种和4种SynCom成员子集的接种剂(S12、S4和SF4，见材料和方法)。随着从SynCom到S12和S4的分类多样性的降低，它们在低肥力土壤中对根发育的效果有降低的趋势，但没有显著差异（接种10d）(图S14)。值得注意的是，在物种多样性和功能多样性水平上均与PGPRs相似的SF4，包括Bacillus cereus(磷溶解)， Lysinibacillus macrolides(固氮)， Stenotrophomonas maltophila(IAA产生和抗微生物活性)，Pseudomonas koreensis(抗真菌活性)，在促进根长度和根重量方面，既没有胜过在高肥力土壤中的PGPRs，也没有优于在低肥力土壤中的SynCom(图S14)。这些发现表明，SynCom比PGPRs具有更高的多样性并不能完全解释其在促进植物生长和健康方面的成功。同时，SynCom和低肥力土壤中的原生微生物群落之间积极的相互作用对植物的生长和健康至关重要。

Fig. 5对无菌玉米的植物生长促进试验的试验设计。

a和b无菌玉米幼苗在双管箱中培养15天。S+P: SynCom+PGPRs。c .在双管室中生长的玉米的形态特征，包括SPAD值、株高、根重和鲜重的根冠比。对玉米植物的n = 6个生物重复进行取样，除了分别对生长在PGPR处理的始成土和终成土中的植物的n = 2和n = 5。对于SPAD值，每株植物测量三次。使用非参数检验的多重比较(Nemenyi检验)，c中的不同字母表示显著差异(P < 0.05)。在箱线图中，水平条代表中线。方框的顶部和底部分别显示第75和第25百分点。

- 讨论 -

自从农业生态系统受到与气候变化和土壤退化相关的多种环境压力的挑战以来，用于提高作物生产力的土壤微生物接种剂已得到迅速发展。然而，巨大的挑战阻碍了该领域微生物接种剂的筛选和开发。土壤微生物接种剂的功效往往取决于土壤条件，使其不可靠，尤其在广泛分布的低肥力土壤中表现不佳。在这里，我们构建了一个由本土SynCom，它来源于不同肥力条件土壤下在玉米根际土壤中普遍存在的可培养物种。SynCom具有促进植物生长的相关性状，如营养促进作用，相较于高肥力土壤，在低肥力土壤中能够更有效地促进植物生长。具体而言，与商业PGPRs相比，其主场优势可能有助于其在田间定殖的成功，最终增强土壤生物多样性，实现积极的微生物相互作用，并在低肥力土壤中保持稳定的生态位结构(图6)。

Fig. 6不同肥力条件下微生物接种剂对作物生长和微生物群落的不同影响。

左:由商业PGPRs组成的外来微生物接种剂传达了其效率和安全问题的内在冲突。各种生物和非生物因素会影响外来接种剂在土壤中的定殖，导致定殖失败和不良表现。然而，遗产效应将持续影响群落的生态位结构。在具有丰富不稳定碳源的高肥力土壤中，具有更强代谢能力的PGPRs扩大了对非竞争性资源(顽固碳)的潜在利用，以减少潜在竞争。右图:本地微生物接种剂由不同肥力条件下的可培养物种组成，具有主场优势，特别有利于低肥力土壤中的植物生长。在未来，宏基因组测序结合单细胞技术将有助于快速阐明功能性状。成功的定殖有助于积极的微生物相互作用，从而通过营养促进来促进植物生长。另一方面，接种到低肥力土壤中的PGPRs与土著微生物群落竞争有限的养分，从而增加了潜在的竞争。根的图是从Figdraw (ID: TWTIY eedee)下载的。

先前关于主场优势的研究，特别是在专性共生的情况下，强调了变化的土壤条件在介导植物对丛枝菌根真菌的反应中的作用。结合我们的结果，这种主场优势的普遍重要性可以在细菌适应当地土壤环境中得到例证。例如，一些SynCom成员在非无菌条件下成功定殖，如 Pseudomonas spp.， Enterobacter spp.， 和Chryseobacterium sp.。在先前的报道中，它们通过宿主介导的选择作用下作为玉米根际的核心微生物类群。随后，它们诱导了多样性较低的Ultisol中α多样性的增加。我们推测，主场优势赋予了它们重新进入它们所来自的土壤。因此，植物可以从用较低的风险从这些与宿主相关的原住民中获得额外的好处，例如，吸引有益的微生物。微生物在植物根际中成功定殖的遗传特征包括与碳和氮获取相关的功能。尽管宏基因组分析揭示了原生微生物群落中的有益特征，但还需要针对SynCom物种的更具体的信息来证实这些有益特性。进一步的不依赖培养的单细胞技术和宏基因组学信息将有助于快速破译微生物表型和基因组之间的联系。

土壤微生物接种剂的主要障碍是，原生土壤群落与微生物接种剂争夺生态位和营养资源，并产生各种抗菌代谢产物抑制接种物。生态位宽度分析为SynCom的主场优势提供了更多证据。具体而言，SynCom接种增加了低肥力土壤中个体生态位的宽度，并平衡了生态位重叠的变化，这意味着对原生群落的干扰是中性的。增加的生态位代表了更广泛的资源代谢能力，提高了低肥力土壤的资源利用效率。值得注意的是，在各种环境中，应用多物种群落可能比单一菌株更易存活。我们的研究结果表明，减少分类和功能多样性并没有导致这些本土来源的微生物组合的功效明显丧失。然而，基于测序数据的统计分析限制了对真实相互作用的调查。未来的实验工作需要由SynCom群体连续体引入的交叉喂养作用是如何驱动复杂环境中的共存。

相反，碳源代谢能力广谱型和生长快速的PGPR侵占了其他物种的生态位空间，但最终被消灭，未能在所有土壤中定殖。短暂的失败入侵显示出对生态位结构的遗留影响，包括生态位宽度缩小和生态位重叠增加。这些观察结果可以用多样性抵抗假说来解释，即由于复杂的相互作用和对生态位空间的竞争加剧，不同的群落对外来微生物入侵具有高度抵抗力。同时，原生动物捕食者或病毒的存在控制着快速生长的物种。虽然氮和磷在传统农业土壤中通常很丰富，但容易获取的碳可能不会如此丰富，且被微生物和根系竞争，这对作物来说是一种成本。在高肥力土壤中，接种PGPR后的遗留效应扩大了非竞争性资源的潜在开发，以减少潜在的竞争。然而，在低肥力土壤中，有限的养分和基质与PGPR的匹配较差，对微生物的建立和生长产生了负面影响。

开发有效的作物接种剂的一个不可避免的问题是对人类健康风险的关注。全球对PGPR的市场需求每年都在增加，以减少有害的化肥和农药。然而，由于各种细菌属已被用作商业PGPR，在将微生物产品应用于农业实践之前，有必要评估其潜在的致病性。此外，考虑到本土SynCom的分类学和功能冗余，未来的工作将侧重于通过最简单的物种组合最大限度地提高群落层面的功能。这些努力将为复杂合成群落的体外组装和有针对性地操纵作物微生物群落提供基本的理解，以实现可持续的作物生产。

总之，我们的研究表明，在营养有限的条件下，由从不同土壤类型中分离的不同物种组成的微生物接种物比商业PGPR更能特异性地促进低肥力条件下的植物生长。除了有益的特性外，主场优势赋予了SynCom潜在的强大定殖能力，对SynCom和原生微生物群落之间的积极互动做出了重要贡献。然而，商业PGPR通过对生态位结构的遗留效应，增加与原生微生物群落的潜在竞争，可能对根际环境带来微小的效益，甚至相反的影响。此外，还需要玉米营养生长阶段以外的田间试验数据来全面评估本土SynCom的效益。尽管如此，我们的研究结果强调了本土微生物在合成生物学中的主场优势，并提出了在沙漠化和土壤退化加剧的不断变化的世界背景下有效促进农业可持续性的途径。

参考文献

Jiang, M., Delgado-Baquerizo, M., Yuan, M.M., Ding, J., Yergeau, E., Zhou, J., Crowther, T.W. and Liang, Y. (2023), Home-based microbial solution to boost crop growth in low-fertility soil. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.18943

- 作者简介 -

第一作者

中国科学院

姜美彤

博士

姜美彤，中国科学院南京土壤研究所博士生，主要关注植物-微生物互作与植物健康。目前以第一作者发表1篇New Phytologist。

通讯作者

中国土壤学会

梁玉婷

研究员

梁玉婷，研究员，主要从事土壤微生物学领域研究。发表SCI 70余篇，中文核心10余篇。承担国家自然科学优秀青年基金、江苏省杰出青年科学基金等，中科院青促会优秀会员，担任《土壤学报》、iMeta、Soil Ecology Letters、SBB、Geoderma等编委，中国土壤学会土壤质量标准化委员会主任、江苏省土壤学会学术工作委员会主任。

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