中国广西甘蔗田中圆莎草（Cyperus rotundus L.）根际和内生微生物组的多样性及其促进植物生长的作用

《Applied Soil Ecology》：Diversity and plant growth-promoting activity of rhizospheric and endospheric microbiomes from Cyperus rotundus L. in sugarcane fields of Guangxi, China

该研究分析了广西地区截叶飘拂草根际和根内微生物群落，发现细菌OTU数量和多样性差异显著（704 vs 359），而真菌多样性相近但群落结构不同。鉴定出154株植物促生长菌（PGPR），包括溶磷（57）、产铁载体（28）、合成IAA（51）和固氮（41）等功能。主导菌群为假单胞菌、伯克霍尔德菌等常见属，以及铜绿假单胞菌等稀有属。揭示了截叶飘拂草通过差异招募PGPR优化营养吸收的机制。

　　

黄海丽|郑涛|李景波|李卫生|郑伟|马永林|邱美莎|唐文伟|王艳辉

中国农业农村部南方果蔬绿色防控重点实验室，广西作物生物学重点实验室，广西农业科学院植物保护研究所作物病虫害生物学重点实验室，南宁，530007，中国

摘要

Cyperus rotundus L. 是甘蔗田中常见的杂草，对作物产量和质量构成严重威胁。然而，根际和根内微生物对 C. rotundus 生长的影响仍知之甚少。本研究探索了来自中国广西的 C. rotundus 这两个生态位中的可培养微生物。通过 16S rRNA 和 ITS 测序，共鉴定出 1063 个细菌操作分类单元（OTUs）（704 个根际和 359 个根内）和 508 个真菌 OTUs（263 个根际和 245 个根内）。α 多样性和 NMDS 分析显示，两个生态位中的细菌 OTU 数量和多样性存在显著差异，而真菌 OTU 的 α 多样性指数相似，但 β 多样性不同。这表明 C. rotundus 的根部分别调节细菌和真菌的群落组成，从而驱动生态位分化。功能筛选发现了 154 种植物生长促进根际细菌（PGPR），包括能够溶解无机磷（57 种）、有机磷（61 种）和钾（50 种）、产生铁载体（28 种）和吲哚-3-乙酸（IAA）（51 种）以及固氮（41 种）的菌株。优势细菌属如 Pseudomonas、Burkholderia、Bacillus、Rhizobium、Enterobacter 和 Pantoea，以及稀有属如 Cupriavidus、Ralstonia 和 Staphylococcus，是这些功能特性的主要贡献者。这些发现表明，与 C. rotundus 相关的多样化多功能 PGPR 可能有助于其旺盛生长，为潜在的农业应用提供了宝贵的见解和微生物资源。

引言

Cyperus rotundus L. 属于莎草科，是一种主要通过地下块茎和基部鳞茎无性繁殖的多年生草本植物，具有极强的繁殖能力（Dor 和 Hershenhorn, 2013; Vega-Morales 等, 2019）。复杂的地下块茎网络对其快速传播至关重要，使得 C. rotundus 非常难以控制，对全球农业生态系统造成了严重影响（Kadir 和 Charudattan, 2000）。因此它被称为“世界上最糟糕的杂草”（Babiaka 等, 2021）。

在农田中，C. rotundus 与作物竞争养分，显著降低作物的产量和质量（Lati 等, 2011）。特别是在土壤湿润的热带和亚热带地区，它占杂草总量的很大比例，对水稻、甘蔗、番茄和辣椒等多种作物的产量产生不利影响（Bhagirath 和 Jhoana, 2012; Lal 等, 2006; Morales-Payan 等, 2003; Rabbani 等, 2011; Tuor 和 Froud-Williams, 2002）。在中国，C. rotundus 特别普遍，尤其是在旱地作物中，并已成为广西甘蔗田的主要问题（Molin 等, 2019）。

现有研究表明，根际和根内微生物在植物生长和营养竞争中起着重要作用（Gkarmiri 等, 2017; Zhao 等, 2024）。植物根际是根-微生物相互作用的热点（Khalid 等, 2009; Negi 等, 2023），其中含有被称为植物生长促进根际细菌（PGPR）的有益细菌（Govindasamy 等, 2010）。PGPR 通过直接和间接机制促进植物发育。直接机制包括养分激活，如固氮、溶解磷和钾以及激活微量营养素（Bakhshandeh 等, 2017; Genre 等, 2020; Ilangumaran 和 Smith, 2017）。间接机制通常涉及抑制土壤传播的植物疾病、诱导植物的系统抗性、增强植物对非生物胁迫的抵抗力以及调节植物激素浓度（Hasan 等, 2024; Tank 和 Saraf, 2010）。通过这些机制，PGPR 有助于入侵植物的建立和传播（van der Putten 等, 2007）。我们之前的研究发现 C. rotundus 通过富集 PGPR 来竞争玉米（Liu 等, 2022b）。此外，来自杂草或其他植物的 PGPR 在农业生产中具有应用潜力。Jiang 等（2022）表明，从抗病茄子品种移植根际微生物组在减轻植物疾病、调节保护性微生物组和增强植物健康方面具有显著效果。同样，Sritongon 等（2023）报道根际细菌菌株显著促进了 Jerusalem artichoke 的生长和生物量，表明其作为生物肥料的潜力。

迄今为止，C. rotundus 根际和根内可培养微生物的多样性尚未得到充分研究。尽管有一些报告从根际和内生微生物组的多样性和功能角度探讨了其强大的竞争能力（Liu 等, 2022b; Wang 等, 2024a），但对可培养微生物群落的详细分析仍不足。本研究旨在：（1）分析 C. rotundus 根际和根内细菌和真菌的微生物群落结构特征；（2）评估可培养细菌群落的多样性和植物生长促进功能潜力。因此，从中国广西四个主要甘蔗种植区的七个地点收集了 C. rotundus 的根际土壤和块茎。从根际和根组织中分离并分类可培养的细菌和真菌，并分析了这两个生态位之间的微生物群落组成差异。此外，评估了根际和根内细菌的六种 PGPR 功能，包括溶解无机磷、有机磷和钾、产生铁载体、IAA 合成以及固氮。基于这种多功能评估，我们假设 C. rotundus 在根际和根内生态位中积极招募功能互补的 PGPR 群落。这些联合体通过磷溶解、钾释放、固氮、IAA 合成和铁载体介导的铁动员等协同机制优化宿主植物的营养。

研究地点和样本采集

样本采集在中国广西七个主要甘蔗生产区进行（表 1），时间是在甘蔗伸长高峰期（2023 年 5-6 月）。所有选定的甘蔗田中 C. rotundus 的密度均超过每平方米 200 株。在每个田块内设置了六个随机样方（25 厘米 × 25 厘米）。使用乙醇消毒的铲子挖掘带有根系和附着土壤（深度 20-30 厘米）的整株植物。样本立即密封在无菌容器中

C. rotundus 根际和根内细菌的组成和多样性

共鉴定出 1063 个细菌 OTUs，其中 704 个来自根际，359 个来自根内（图 1A；表 S2）。在门水平上，变形菌门和厚壁菌门在两个生态位中占主导地位，它们的相对丰度从根际的 89.77% 显著增加到根内的 99.44%（图 1B）。虽然根内变形菌门的相对丰度保持稳定，但厚壁菌门的相对丰度增加了 11.15%。在纲水平上，杆菌属和...

C. rotundus 根际和根内细菌 OTU 数量和丰富度的差异

土壤环境是地球上微生物生态系统中最多样化的环境之一，仅 0.5 克土壤样本就含有超过 2000 种细菌（Roesch 等, 2007）。植物的根系通过以下方式选择性地招募特定的细菌：(a) 分泌有机酸（苹果酸、丙酮酸、柠檬酸）和碳化合物；(b) 微生物趋化性；(c) 土壤 pH 值和结构的变化（Bais 等, 2006; Wen 等, 2020; Zhang 等, 2014）。内源性...

结论

对 C. rotundus 根际和根内可培养微生物的 α 多样性和 NMDS 排序分析显示，其根相关微生物群落的分布模式存在显著差异。细菌的丰度和多样性在两个生态位之间有显著差异，而真菌群落的 α 多样性指数相似，但 β 多样性不同。值得注意的是，通过对植物生长促进特性的定量筛选，本研究验证了我们的...

CRediT 作者贡献声明

黄海丽：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理。郑涛：撰写——审稿与编辑、方法学。李景波：撰写——审稿与编辑、资源提供。李卫生：撰写——审稿与编辑、资源提供。郑伟：资源提供、方法学。马永林：撰写——审稿与编辑、资源提供。邱美莎：撰写——审稿与编辑、资金获取。唐文伟：监督、资源提供。王艳辉：撰写——审稿与...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金 [32460682]、广西自然科学基金 [2024GXNSFAA010173]、广西农业科学院 的研究资助 [2021YT066, 2025YP053 和 2025YP090] 以及 广西作物病虫害生物学重点实验室 [22-035-31-24ST08 和 22-035-31-23ST02] 的支持。