![]()
摘要：这项研究调查了植物物种多样性、植物基因型多样性和土壤微生物对生态系统生产力的交互效应。研究人员在三种不同的土壤微生物环境（灭菌土壤、本地微生物群落和外源性微生物群落）下，建立了豌豆和小麦的单一种植和混合种植，并具有不同水平的基因型多样性。他们发现，涉及物种和基因型多样性的混合种植的地上生物量高于根据两种多样性水平的加和效应预期。这表明，植物多样性-生产力关系受到植物物种多样性、植物基因型多样性和土壤微生物之间三元互作的塑造。结果表明，植物-微生物和植物-植物互作是决定植物多样性-生产力关系的关键因素。
关键词：多样性-生产力关系、基因型多样性、植物与微生物的相互作用、土壤微生物、物种多样性
文 章 信 息
译名：土壤微生物驱动植物物种和基因型多样性相互作用对生产力的影响
发表时间：2021年10月
期刊IF：3.9（2023）
第一单位：勃艮第法兰西孔特大学农业研究所
通讯单位：勃艮第法兰西孔特大学农业研究所
文 章 亮 点
1.结合植物物种和基因型多样性可能会导致生态系统生产力的非加性效应，并产生潜在的协同效应；
2.植物物种多样性、植物基因型多样性及其相互作用对生产力的影响是由土壤微生物群落驱动的；
3.在预先消毒的土壤中未观察到任何多样性效应，这表明了土壤微生物的重要性；
4.植物-微生物和植物-植物互作是决定植物多样性-生产力关系的关键因素。
文
章 简 介
1 研究意义
为了进一步深化了对植物多样性与生产力关系的理解。以往研究大多数只分别关注植物物种多样性、基因型多样性对生产力的影响，而该实验着重探讨了物种和基因型多样性相互作用对生产力的贡献，填补了这方面研究的不足。强调了土壤微生物在植物多样性与生产力关系中的关键作用。研究揭示了植物物种多样性、基因型多样性和土壤微生物之间的潜在相互作用，为理解植物多样性生产力关系提供了新的理论视角。有助于优化农业和生态系统管理。了解植物-微生物和植物-植物相互作用对生产力的决定作用，可以为合理配置植物物种和基因型，以及调控土壤微生物群落提供科学依据，从而提高生态系统的生产力和稳定性。为可持续农业和环境保护提供了新思路。例如，在农业生产中，可以通过调控土壤微生物群落，更好地发挥植物多样性的优势，减少对化肥等资源的依赖，实现可持续发展。同时，也有助于保护和维护生物多样性，促进生态系统的健康和稳定。2 研究方法
1.选择了两种常见的混合种植作物:小麦(Triticum
aestivum L.)和豆类(Pisum
sativum L.),并选择了三种不同基因型的每种植物。
2.设置了四种单一种植处理(一种小麦基因型、一种豆类基因型、三种小麦基因型、三种豆类基因型)和四种混合种植处理(一种小麦基因型+一种豆类基因型、一种小麦基因型+三种豆类基因型、三种小麦基因型+一种豆类基因型、三种小麦基因型+三种豆类基因型)。
3.每种处理重复5次，并设置了不含植物的对照组，共135个样品。
4.使用来自天然草地的灭菌砂质土壤作为基质,并设置了三种不同的土壤微生物环境:灭菌土壤(S)、本地微生物接种(N)和外源微生物接种(E)。
5.植物在气候室中种植 22 天，保持土壤湿度，控制环境条件。收获后测量植株地上和地下生物量，测定土壤矿质氮含量，分析土壤细菌群落。
实验设置如下：
![]()
多样性效应通常被定义为混合物中观察到的产量与基于平均单一栽培性能的预期产量之间的差异。由于实验并没有种植所有的单一栽培，因此将多样性效应定义如下:特定物种的基因型多样性效应(基因型效应的GE)计算为基因型混合物与基因型单一栽培(即 W3-W1或P3-P1)的生物量差异。物种多样性(SE)的影响是豌豆-小麦混合物与我们设计中最好的两种单一栽培(即W1P1 -W1)相比生物量的差异，这与研究越界超产所做的研究一致。物种与基因型多样性结合的效应(SGE)计算为包含两种多样性水平(即W1P3、W3P1或W3P3)的混合物与最佳单一栽培(W1)的生物量差异。平均效应和相关的95%置信区间是通过自举(在每个采样事件中对每个差异进行 1000次替换计算)获得的，如表1所示。实验通过计算“期望值偏差”来确定物种和基因型多样性(SGE)结合的效应是否与物种多样性(SE)和基因型多样性 (GE)的效应之和不同。如果 “一个变量的总响应大于或小于单个成分产生 的分区响应的总和”，则偏离可加性。对这种偏差的计算如下:![]()
3 结果
3.1 植物群落多样性对生物量的影响
豌豆-小麦混作的总生物量相较于物种单作增加了 11%，主要源于地上生物量的增加，而根生物量没有显著变化。基因型多样性对总生物量有负面影响，表现为基因型混合种植的总生物量比基因型单作低 6%，这种影响同样主要体现在地上生物量上。然而，当分别考虑小麦和豌豆时，增加基因型多样性对它们各自的总生物量没有显著影响。此外，生物量偏离可加性假设，即两种植物多样性水平之间存在相互作用效应，不受混合多样性与土壤微生物环境相互作用的影响，无论植物部分(不受混作多样性和土壤微生物环境相互作用的显著影响，但地上生物量偏离可加性的方向依赖于混作多样性。具体来说，W3P1 的地上生物量偏离可加性为正，而 W1P3 和 W3P3 的偏离为负，且地上和根生物量的偏离可加性呈正相关(Fig.2)。![]()
3.2微生物环境之间土壤细菌群落的差异
三种微生物环境在细菌群落结构上存在差异，并且在观察到的物种数量、系统发育多样性和辛普森倒数指数方面也有所不同。灭菌土（S）中的这些指标值较低，而本地土（N）和外源土（E）之间在这三个指标上也有差别。通过相关性网络分析发现，本地和外源群落的网络结构相似，节点和边的数量相近，负向部分相关性比例也相似；而灭菌土的网络包含更多的节点和边，负向部分相关性比例较小(Fig.3)。3.3土壤微生物环境对植物生物量和土壤氮含量的影响
微生物环境显著影响植物生物量，与灭菌土相比，外源微生物环境使地上生物量增加了 10.6%，本地微生物环境增加了 5.5%。小麦物种单作（W1 和 W3）对土壤微生物环境的反应与其他植物多样性处理不同，在本地微生物环境中，小麦地上生物量最低，而在灭菌土和外源环境中较高且相似。相反，根生物量在灭菌土中最高，在外源土中较低，在本地土中处于中间水平，这表明微生物环境影响了植物的地上地下资源分配，但对总生物量没有显著影响。此外，土壤细菌群落丰富度对植物总生物量有积极影响。土壤矿质氮含量依赖于微生物环境和植物多样性，在灭菌土和本地土中比在外源土中低，且有植物的盆中土壤矿质氮含量低于对照盆。豌豆物种单作倾向于显示出比其他涉及植物的处理更高的土壤矿质氮含量，这种效应似乎是由在外源微生物群落存在下的高氮含量驱动的(Fig.4)。![]()
3.4植物多样性效应与土壤微生物的相互作用
在灭菌土中，增加物种或基因型多样性对地上生物量没有显著影响，但在本地和外源微生物环境中有积极影响。物种和基因型多样性相互作用对地上生物量的影响在灭菌土中不显著，而在外源环境中的 W3P1 显著，在本地环境中的 W3P1 和 W1P3 显著。地上生物量偏离可加性假设的程度依赖于微生物环境，在本地和外源环境中存在正偏差，而在灭菌土中没有显著影响。对地上生物量的人均评估表明，豌豆地上生物量不受与小麦关联的影响，而小麦地上生物量在与豌豆关联时增加，且似乎依赖于微生物环境，具体基因型 RE13088 在本地和外源微生物环境中的混作比单作生物量更高，导致三个小麦基因型之间的生产力差异减小。然而，这种差异并未被基因型 × 微生物环境 × 物种多样性的三向交互作用所证实。此外，虽然在外源微生物群落下地上生物量最高，但在本地群落下偏离可加性的程度最高(Fig.5)。![]()
3.5植物对土壤细菌群落的影响
有植物的盆中的土壤细菌 OTU 丰富度与无植物的对照盆相似，接种土壤在实验结束时的 OTU 丰富度低于初始接种物，但在有植物和无植物的盆之间没有差异。此外，无论考虑植物多样性处理的细节还是植物物种处理，细菌群落结构都没有显著差异，但通过 PERMANOVA 检测到植物对土壤细菌群落有显著影响，只是这种影响较弱(Fig.6)。![]()
4 讨论
1.土壤微生物环境对植物生产力的影响方式
土壤灭菌和接种操作成功创造了三种不同的微生物环境，这些环境在细菌群落多样性和结构上存在差异。灭菌土中的网络结构有更多节点和边，可能暗示土壤定植动态约束较少。不同微生物环境下植物的地上/地下生物量比例不同，且仅在接种土中存在根瘤菌-豆科植物共生现象，这可能影响了植物生物量。同时，植物总生物量与细菌群落丰富度在各微生物环境中呈正相关，表明土壤微生物丰富度本身对植物生产力可能具有重要性。2.土壤微生物环境对植物多样性效应的影响
植物物种或基因型多样性对地上生物量的影响由土壤微生物环境决定。灭菌土中，植物多样性对地上生物量无影响，而接种土中物种多样性对地上生物量有积极影响。这与其他研究结果相符，表明植物多样性 - 生产力关系更可能受复杂土壤微生物群落影响，且在植物群落多样性较低或包含强互利相互作用的物种时，土壤微生物对该关系的影响可能更显著。3.土壤微生物对物种和基因型多样性相互作用的影响
土壤微生物群落可调节物种和基因型植物多样性相互作用对生产力的影响。灭菌土中未检测到这种相互作用，而接种土中植物生产力高于无相互作用时的预期。这种相互作用在两种接种土中相似，部分由小麦基因型多样性在豌豆/小麦混合物中的效应变化驱动。接种土中豌豆根上的结节使豌豆/小麦混合物产生生态位互补，减少了氮竞争，从而促进了生产力，表明土壤微生物群落可通过影响竞争关系来驱动植物多样性相互作用对生产力的影响。4.物种多样性对基因型多样性 - 生产力关系的影响机制
研究发现物种混合物补偿了基因型多样性的负效应，而不是两种积极效应的协同作用。以往研究表明基因型多样性在物种混合物中的变化会影响物种多样性对地上生产力的作用，本研究进一步表明这种影响与土壤微生物群落有关，即土壤微生物可驱动这些机制，改变物种优势模式，从而影响基因型多样性 - 生产力关系。5 结论
研究结果表明植物物种多样性和基因型多样性的交互作用对生产力有影响,这种影响是由土壤微生物驱动的。在无菌土壤中,物种多样性和基因型多样性对生产力没有影响，但在有本地微生物和外源微生物的情况下,这些多样性对生产力有正面影响。物种混合可以弥补基因型多样性的负面影响。植物-微生物互作和植物-植物互作可能是决定植物多样性-生产力关系的关键因素。Reference:
Tiffany
Raynaud, Barbara Pivato, Mathieu Siol, et al. (2021) Soil microbes drive the effect of
plant species and genotypic diversity interaction on productivity. Plant and Soil, 467, 165–180.
https://doi.org/10.1007/s11104-021-05071-z
本期分享来自2024级农艺与种业专业硕士研究生李玉涛
