2020年4月，中科院南京土壤研究所蒋新研究员团队在Science of the Total Environment杂志上发表“Correlations between soil metabolomics and bacterial communitystructures in the pepper rhizosphere under plastic greenhouse cultivation”文章，该文章利用土壤代谢组和微生物组学对胡椒根际土壤和空白土壤进行分析，结果表明在这两种土壤中会呈现出不同微生物群体的积累。
? 根际土壤是养分转化和土壤微生物组学的热点，是植物生长的关键区域。根际土壤微生
物对有机化合物的代谢反过来也会影响土壤微生物群落和植物根部功能。阐明根际代谢将帮助我们了解微生物组的生化特征以及如何利用它们来增加蔬菜产量；
? 土壤代谢组学可以直接反映可检测到的土壤微生物对不同条件的生物学反应。Jones等
人研究表明，土壤代谢物可以用作土壤污染的生物标记。土壤代谢组学特征的差异受到作物种类，植物基因型和生长基质的影响；
? 温室（PGVC）种植全球化，能提供大量高质量、反季蔬菜，但是使用塑料薄膜通常会
导致土壤被邻苯二甲酸酯（PAE）污染，这是PGVC正在引起关注的土壤环境问题，同时目前也不清楚胡椒根际和空白土壤中PAE的分布及其对土壤细菌群落的影响； 研究路线：
研究结果：
1、 土壤属性、PAEs含量鉴定
土壤属性是影响土壤微生物群落的基本因素。在这项研究中，所有检测到的土壤性质都表明，根际土壤和空白土壤之间没有显著差异（表1）。 这可能是因为PGVC下的施肥强度很大，掩盖了根际效应引起的差异。缺乏土壤特性差异的另一个原因可能是，尽管根际分
泌物在根际中的释放通常很高，但是在PGVC下土壤微生物对这些可用碳源的消耗可能非常快。因此，根际土壤中可溶性有机碳（DOC）的含量比空白土壤中的高，但不显著。 这意味着DOC含量可能无法准确表达根际土壤与空白土壤之间的差异。
表1 土壤的生化参数
OM：有机物；DOC：可溶性有机碳；T：全部；A：可利用；CEC：阳离子交换量
PAE对土壤的污染可能来自地膜覆盖，通常检测到的PAE的主要成分是邻苯二甲酸双（2-正丁氧基乙基）酯（DEHP），邻苯甲酸二异丁酯（DiBP）和邻苯二甲酸二正丁酯（DnBP）。 同时结合他人和我们的研究结果证实了土壤PAE的主要污染物来源是覆盖薄膜。 尽管根际土壤中16种PAE的总浓度略高于空白土壤，但在本研究中，根际土壤和空白土壤中PAE的主要成分之间没有统计学上的显著差异。这可能是因为覆盖膜覆盖PGVC下的所有土壤，而不仅仅是种植区域。
2、土壤代谢组检测-GC/MS：根际土壤相比空白土壤中代谢物的含量高但种类少
在所有土壤样品中共检测和鉴定了245种代谢产物，其中有机酸的数量多，占全部代谢物的31％，其次是碳水化合物（15％），醇（1％）和氨基酸（10％）。这些检测到的化合物（即土壤代谢产物）来源于植物根系分泌物，微生物代谢产物以及植物，微生物和土壤有机质的分解。
PCA分析表明，根际中的代谢物谱与空白土壤中的代谢物谱在主成分发生分离，存在明显差异（图1左）；对两种土壤中的差异代谢物进行分析结果表明，根际土壤中大多数代谢物含量都高于空白土壤中的含量，其中11种代谢物含量差异显著，包括蔗糖、丙二酰胺、反油酸、二十四烷酸、孕酮、陶瓷酸、5-α-胆甾烷-3-酮显著增加，其中多的是孕酮（孕酮可以刺激向日葵和小麦的根系生长）和麦芽糖，而壬酸、麦芽三糖、棕榈酸、麦芽糖含量减少，但是根际中代谢物的多样性略低于空白土壤中的代谢物。
进行KEGG通路富集分析结果表明，淀粉和蔗糖的代谢是根际土壤中改变明显的途径
（图1 右），同时半乳糖代谢和脂肪酸代谢也发生了显著变化。结合我们和他人的研究，结果表明根际中的蔗糖含量高于空白土壤中的蔗糖含量。因此土壤代谢组学可以为根际碳代谢提供分子水平上的差异信息。
图1 左：土壤代谢组PCA主成分分析 红色（根际土壤样品）、蓝色（空白土壤样品） 右：KEGG富集分析气泡图 横坐标（代谢通路影响）、纵坐标（pValue对数值），气泡大小代表富集到该通路上的差异代谢物个数
3、 土壤微生物多样性检测-16S：根际土壤富营养菌丰度高，空白土壤寡营养菌丰度高
在根际土壤中菌群丰度指数Chao和菌群多样性指数Shannon均高于空白土壤，但差异不显著。根系分泌物对某些促进植物生长的微生物的募集活动将导致根际土壤微生物多样性的降低，但这一现象在PGVC下的土壤研究中未观察到，可能是由于过多的有机和化学肥料的使用掩盖了根际效应。
为阐明土壤细菌群落的变化进行PCA分析，结果表明，根际土壤和空白土壤中的细菌群落在主成分上发生分离（图2左），与土壤代谢物谱图的结果非常相似。多样性指数与环境因子相关性分析db-RDA表明，DOC，TK和TP是导致细菌群落结构发生变化的前三个土壤因子，DOC对改变土壤细菌群落的显著影响，与PGVC土壤进行的其他研究一致，证实了DOC确实在改变土壤微生物群落中起着重要作用；同时土壤有效磷和钾反向影响胡椒根际微生物的数量和土壤细菌群落。在这项研究中，PAE并未显著影响土壤细菌群落结构，这与我们之前在PGVC下对土壤进行20年调查的研究一致。
物种组成和群落结构差异显著检验（LEfSe）表明，根际中变形杆菌和拟杆菌（富营养化）的细菌种类明显高于空白土壤（图2右），这些菌通常对植物根系分泌物产生积极的反应：①在变形菌门中，根际土壤中根瘤菌的丰度高（根瘤菌主要在根际中富集并产生使土壤有机质矿化的酶，从而有利于植物的生长）,γ-变形杆菌中黄色单胞菌目、β-变形杆菌中
伯克霍尔德氏菌目（通过固氮促进植物生长的活性）和亚硝化单胞菌目（与氮循环相关并有益于植物生长）也呈现出高丰度。因此，具有促进植物生长活性的细菌成员的丰度增加可能是受到胡椒根分泌物的募集。②在拟杆菌门中，根际中的鞘脂杆菌纲（参与生物分子的转化）和鞘脂杆菌目显著丰富。虽然拟杆菌属不是土壤中占主导地位的细菌门，但在根际中同样具有高丰度，这可能是由于根际环境改变了拟杆菌的生长结构或其他微生物竞争的减少。 此外，根际土壤中属于酸杆菌门的贫营养细菌Solibacterales 也显著丰富。
相对于空白土壤，细菌门中的细菌相对丰度在根际土壤中没有显示出明显的减少。但在较低的分类学水平上，某些细菌（热微菌门、微球菌目、 第二节脂环酸芽胞杆菌科、甲基杆菌科、链孢囊菌科、间孢囊菌科）的相对丰度与空白土壤相比在根际中显著减少，这可以部分地由根际中富营养化微生物（变形杆菌和拟杆菌）的相对丰度的显著增加来解释。与根际土壤相反，空白土壤通常富含k-selected的寡营养微生物。
图2左：土壤微生物组PCA主成分分析 红色（根际土壤样品）、蓝色（空白土壤样品）；右：LEfSe分析
红色（根际土壤中显著丰度菌群）、蓝色（空白土壤中显著丰度菌群）
4、 代谢物和微生物组联合分析-互作网络构建：蔗糖参与不同土壤中菌群差异的形成
为了进一步阐明根际中差异代谢物和差异微生物之间的关系，构建了一个互作网络（图3）。结果显示代谢物与微生物网络中的正相关多于负相关，结节大小相似的表明这些微生物以同等贡献参与了代谢。对于差异代谢产物，蔗糖与土壤细菌成员之间的相关性大（图3），尤其与β-变形菌纲、剑菌属、根瘤菌科、伯克霍尔德氏菌目和变形杆菌门的呈正相关；蔗糖与微球菌目、norank_O_JG30_KF_CM科和属、热微菌门、甲基杆菌科、劳尔氏菌属、微小杆菌属呈负相关。麦芽糖是土壤代谢产物中第二个相关性强的节点，与土壤微生物（根瘤菌目、根瘤菌科、 叶杆菌科、变形菌、黄色单胞菌目、剑菌属）呈负相关，这些微生物
主要表现在根际土壤中的丰度增加，表明这些微生物消耗了麦芽糖，还检测到麦芽糖与链孢囊菌科和间孢囊菌科之间呈正相关。
将土壤代谢组和细菌群落与功能基因联系起来：对微生物群落进行功能预测分析PICRUSt表明，相对于空白土壤，根际中淀粉和蔗糖的代谢功能被下调，在差异代谢途径中，淀粉和蔗糖的代谢功能与差异细菌成员关系大，这可以证实不同的细菌成员通过调节根际中的淀粉和蔗糖代谢功能而导致不同的代谢。细菌中蔗糖重要的代谢途径是蔗糖从外膜到内膜的运输，蔗糖-6-磷酸的形成以及蔗糖代谢为果糖或葡萄糖-6-磷酸，蔗糖进入细菌膜后也可以直接代谢成葡萄糖-1-磷酸或果糖。KEGG分析表明参与上述蔗糖两个主要代谢途径的基因在根际中的丰度要低于空白土壤中的丰度，这一结果也可以解释为什么蔗糖在胡椒根际土壤中积累。
图3 差异代谢物与差异微生物互作网络 红点（差异微生物）、蓝点（差异代谢物）；橙线（正相关）、蓝线（负相关）
小结
研究目的：大棚中胡椒根际土壤代谢组和微生物组与空白土壤差异机制；
研究结果：大棚中根际土壤和空白土壤代谢组和微生物组发生明显分离，其中重要的功能通路是蔗糖和淀粉代谢通路，在根际土壤中和空白土壤中会呈现出不同类型的菌群积累； 锦上添花：根际是土壤中的一种微环境，是地球上复杂的介质之一。这项概念性和开创性研究表明，利用微观和敏感技术分析复杂的环境（例如土壤根际）至关重要。土壤代谢物和微生物群落之间的关系将通过土壤改良剂或生物技术来提高植物产量，从而指导植物根际过程
的调控。本研究中利用代谢组学分析了特定条件下特定时间的生物代谢，但土壤代谢物谱的动态变化及其与土壤微生物群落结构的相关性仍需要进一步系统研究。
土壤代谢组学及微生物组学结合研究大棚种植对胡椒根际的影响
