土壤和植物各个部位（如根、茎、叶、花和果实）栖居着大量高度多样的微 生物群落（即植物微生物组），这些微生物在促进宿主植物的生长发育、营养吸 收、病害抵御及环境胁迫抗逆性等方面发挥着重要作用。探明土壤和植物微生 物组的分布格局、驱动因素及生态功能，进而揭示植物微生物组群落构建的基本 生态过程及植物-微生物组互作的微生态机制，对未来充分利用和精准调控土壤 和作物微生物组功能、开发农业微生物组资源及促进农业可持续生产具有重要意 义。然而，目前我们对于不同土壤、气候、作物和施肥管理等多因素共同作用下， 土壤-植物连续体上微生物组的群落构建过程、网络互作模式及其潜在生态功能 仍然缺乏系统的认识。本研究以河南许昌（潮土）和云南曲靖（红壤）的田间施 肥定位观测试验平台为对象，采用高通量测序技术研究了土壤、根际、叶际及植 物内生环境中细菌和真菌微生物组的群落分布特征及其随作物生长发育的时期 动态变化，并结合土壤酶活、作物产量、功能基因分析和叶际宏基因组分析探讨 了其潜在生态功能。取得研究结果如下：

      （1）采用扩增子测序技术研究了玉米-小麦/大麦轮作下土壤（根际及非根际 土壤）及多个植物部位生态位（根表、根内、叶表、叶内）中细菌和真菌的群落 组成特征和构建机制。结果表明，在土壤-植物连续体上，细菌和真菌微生物组 的群落结构主要由宿主选择效应（即部位生态位和作物种类差异）决定，而地点 或施肥管理措施的影响较小。从土壤到植物表面再到植物内部，细菌群落的多 样性及网络复杂度逐渐降低，宿主选择效应增加（宿主-环境效应指数值为土壤： 0.25，植物表面：2.10，植物内部：7.86），并以叶内的宿主选择效应最强（作物 种类解释了 60.4%的群落分异）。通过溯源分析，我们进一步揭示了作物微生物 组主要来自土壤环境并逐步被不同的植物部位富集和过滤。此外，我们发现作 物细菌微生物组由少量主要属于γ变形菌纲的优势类群（约占细菌总 ZOTUs 数 的 0.5%，代表了约 50%的序列总数）主导。LEfSe 分析进一步揭示了芽孢杆菌 纲（Bacilli）和甲基杆菌科（Methylobacteriaceae）分别为麦类（大麦和小麦）和 玉米的重要指示生物类群。类似地，作物相关的真菌群落由少量主要属于子囊菌 纲（Sordariomycetes）及座囊菌纲（Dothideomycetes）的丰富物种（约占真菌总ZOTUs 数的 1.8%，代表了约 77%的序列总数）主导，但其多样性主要是以稀有 物种为代表（主要属于子囊菌纲和座囊菌纲）。真菌组中稀有物种具有较高的系 统发育多样性和生境特异性，而丰富物种具有较高的生态位宽度。在植物部位， 真菌丰富物种的群落构建过程由随机性过程主导（~69%），而稀有物种由确定 性过程主导（~58%）并对宿主选择效应更敏感。我们进一步揭示了真菌稀有物 种在微生物共现网络及生态系统功能（如作物产量及土壤酶活）中具有关键角色， 并在不同施肥处理下相对更稳定。

      （2）进一步考察了玉米三个生长发育时期下土壤（根际及非根际土壤）及 植物部位（包括根和叶的表面和内部以及玉米籽粒）的细菌和真菌群落演替动态 及其跨界互作模式，并以田间假植物的塑料叶片（代表当地大气环境的微生物） 为背景对照，评估了大气环境对植物叶表微生物群落的影响。结果表明，植物不 同发育时期对作物微生物组的多样性、群落组成、确定性/随机性群落构建以及 网络互作模式具有较强影响，并以植物叶表的时期效应最强烈。植物发育时期 和季节相关的环境因子（如温度和降水）都对叶表微生物组的群落结构具有重要 影响。溯源分析表明大气环境是叶表微生物群落的重要来源（细菌：67.7%，真 菌：88.8%）。植物部位细菌群落在早期具有较高的 alpha 多样性并主要受确定性 过程影响，而真菌群落主要在后期表现出类似的特征。网络分析和随机森林模 型分析进一步表明细菌在作物发育早期的微生物共现网络和作物产量预测中更 为重要，随着植物生长发育，真菌发挥的作用越来越重要。宏基因组分析结果表 明，玉米叶表微生物组在早期比后期具有更高的功能多样性和更高丰度的抗病和 营养供给相关的功能基因，在后期富集了更多与氮同化和碳降解相关的基因。同 时我们也发现腐生真菌在植物发育后期发挥重要生态角色。这些结果表明宿主植 物在不同发育时期对其微生物组的组成和功能具有较强的调控作用。

      （3）针对以上玉米-小麦/大麦轮作系统采集的土壤及植物样品，研究了土壤 -植物连续体上固氮微生物群落的分布格局和时期动态特征。结果发现，与细菌 和真菌群落类似，植物整株水平上的固氮微生物群落结构主要由部位生态位决定。 在单个部位生态位，固氮微生物群落分异主要由地点来解释，其次是作物种类 和发育时期。这一结果与细菌和真菌群落主要受作物种类影响不同，表明固氮微 生物群落结构对地点相关的环境因子更为敏感。此外，施肥调控措施对固氮微生 物群落的影响（R2 ：5.9-12.3%）比对细菌（R2 ：0.7-1.2%）及真菌（R2 ：0.7-2.6%）群落的强烈，表明植物微生物组中的功能类群可能对农业扰动更为敏感。作物固 氮微生物群落由少数的优势类群（约占 0.7%的总 OTUs 数）所主导，这些优势 类群主要属于甲基杆菌属（Methylobacterium），其在植物部位（~15.3%）的相对 丰度显著高于土壤环境（~2%）。玉米、大麦和小麦共有 8 个系统发育关系较近 的优势固氮类群，主要属于固氮螺旋菌属（Azospirillum）和甲基杆菌属 （Methylobacterium）（简称为 A&M 分支类群），它们在固氮微生物群落的互作 网络和作物产量预测中发挥重要作用。这些 A&M 分支类群在网络中彼此间的 互作均属于协同关系，但是与其他物种间的互作主要属于竞争性关系，表明这些 A&M 分支类群可能通过紧密的合作关系在群落中长期互利共存，可能在作物的 生物固氮过程中发挥重要角色。

        以上研究结果为作物微生物组群落构建的宿主选择、潜在来源及富集过程 提供了综合性的实验证据，阐明了宿主选择和环境效应对土壤和作物微生物组群 落构建过程的相对贡献，并揭示了稀有物种在维持作物微生物组稳定性及生态 系统功能的重要作用。此外，本研究揭示了宿主植物在不同发育时期对其微生物 组具有很强的选择性调控作用，细菌和真菌分别在早期和后期发挥其主要生态功 能。这些发现促进了我们对植物-微生物组生态进化理论的认识，并为未来基于 土壤、作物微生物组精准调控的可持续农业管理提供重要信息。