Light exposure mediates circadian rhythms of rhizosphere microbial communities

光照介導(dǎo)根際微生物群落的晝夜節(jié)律

來源：The ISME Journal (2021) 15:2655–2664

 

一、摘要概述

 

本研究揭示了光暴露通過雙重機制調(diào)控水稻根際微生物群落的晝夜節(jié)律：

 

光暗周期（LD）下：光誘導(dǎo)的根際環(huán)境波動（氧氣、pH、溶解性有機碳DOC）主導(dǎo)微生物節(jié)律，約12.2%的微生物屬（24個）表現(xiàn)出晝夜振蕩。

 

持續(xù)黑暗（DD）下：微生物內(nèi)源生物鐘驅(qū)動節(jié)律，約7.4%的屬（19個）保持振蕩，且與LD組僅有1個屬（Levilinea）重疊。

 

生態(tài)位分化：光暴露減少生態(tài)位數(shù)量，增加群落不穩(wěn)定性，而黑暗環(huán)境促進(jìn)更穩(wěn)定的微生物互作。

 

二、研究目的

 

解析調(diào)控機制：區(qū)分光誘導(dǎo)環(huán)境波動與微生物內(nèi)源生物鐘對根際微生物晝夜節(jié)律的貢獻(xiàn)。

 

量化光暴露影響：對比LD與DD條件下微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的差異。

 

揭示生態(tài)意義：探究晝夜節(jié)律如何影響微生物生態(tài)位分化和群落功能。

 

三、研究思路

 

采用 “雙處理對比→多時間點采樣→多組學(xué)整合” 策略：

 

實驗設(shè)計：

 

處理組：水稻根際暴露于光暗循環(huán)（LD，12h光/12h暗）或持續(xù)黑暗（DD）。

 

采樣點：每12小時采集根際土壤（AM 8:00，PM 20:00），持續(xù)72小時（圖1d）。

 

原位監(jiān)測：

 

環(huán)境參數(shù)：Unisense微電極實時監(jiān)測根際O?、pH（圖1a-b）；DOC濃度測定（圖1c）。

 

微生物響應(yīng)：16S cDNA測序分析群落結(jié)構(gòu)（圖2-4），qPCR定量微生物活性（16S cDNA拷貝數(shù)，圖2a）。

 

 

 

 

機制驗證：

 

節(jié)律性微生物鑒定：篩選晝夜振蕩的微生物屬（圖3）。

 

共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析：解析微生物互作模式（圖4）。

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 根際環(huán)境晝夜波動（圖1）

 

數(shù)據(jù)來源：Unisense電極原位監(jiān)測（圖1a-b）、DOC測定（圖1c）。

 

結(jié)果：

 

LD組：O?濃度日間升至200 μmol·L?1，夜間降至5 μmol·L?1；pH日降夜升（6.0→6.4）；DOC日高夜低（231 vs. 161 mg·kg?1）。

 

DD組：環(huán)境參數(shù)無顯著波動。

 

意義：首次量化光驅(qū)動根際氧化還原震蕩，為微生物節(jié)律提供環(huán)境背景。

 

2. 微生物活性與多樣性（圖2）

 

數(shù)據(jù)來源：qPCR（圖2a）、α多樣性指數(shù)（圖2b-c）、PCoA分析（圖2d）。

 

結(jié)果：

 

LD組微生物活性（16S cDNA拷貝數(shù)）日間高于夜間（P<0.001），α多樣性日間降低（Shannon指數(shù)下降）。

 

DD組活性與多樣性無晝夜差異，但整體低于LD組。

 

意義：光通過資源波動（DOC、O?）塑造微生物活性峰谷，減少日間生態(tài)位（圖4）。

 

3. 節(jié)律性微生物分類（圖3）

 

數(shù)據(jù)來源：16S cDNA測序與節(jié)律分析（圖3）。

 

結(jié)果：

 

LD組：24個屬（如好氧菌Sphingomonas）受光調(diào)控，僅2個屬為關(guān)鍵指示物種。

 

DD組：19個屬（如厭氧菌Geobacter）由內(nèi)源生物鐘驅(qū)動，5個屬為關(guān)鍵指示物種。

 

意義：光暴露掩蓋內(nèi)源生物鐘作用，黑暗環(huán)境更依賴微生物自主節(jié)律。

 

4. 微生物網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性（圖4）

 

數(shù)據(jù)來源：共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析（圖4）。

 

結(jié)果：

 

LD組：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、連接復(fù)雜但模塊少（模塊度低），穩(wěn)定性差。

 

DD組：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單但模塊度高，穩(wěn)定性強。

 

意義：光誘導(dǎo)的環(huán)境波動增加微生物競爭，導(dǎo)致群落不穩(wěn)定（圖4拓?fù)涮卣鳎?

 

五、結(jié)論

 

光的主導(dǎo)作用：光通過驅(qū)動根際O?、pH、DOC晝夜波動，間接調(diào)控微生物節(jié)律，掩蓋內(nèi)源生物鐘影響。

 

黑暗的保守性：DD條件下微生物依賴內(nèi)源生物鐘維持節(jié)律，群落更穩(wěn)定。

 

生態(tài)啟示：光暴露減少生態(tài)位并增加競爭，可能通過調(diào)控微生物節(jié)律影響植物-微生物互作功能。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 技術(shù)原理與實驗設(shè)計

 

原理：Unisense微電極（OXY25/pH-N型）基于安培法（O?）和電位法（pH），以微米級分辨率原位監(jiān)測根際微環(huán)境。

 

設(shè)計：

 

剖面掃描：電極以90秒間隔動態(tài)監(jiān)測根際O?、pH（0-4 cm深度）。

 

雙模式對比：同步記錄LD與DD條件下的實時數(shù)據(jù)（圖1a-b）。

 

2. 關(guān)鍵結(jié)果與生態(tài)意義

 

光驅(qū)動氧化還原震蕩：

 

LD組O?濃度晝夜差達(dá)195 μmol·L?1（圖1a），直接證明水稻光合作用驅(qū)動根際氧化還原狀態(tài)劇變。

 

pH滯后響應(yīng)（變化滯后光周期1小時），暗示次級代謝產(chǎn)物（如有機酸）積累（圖1b）。

 

對微生物節(jié)律的意義：

 

O?波動創(chuàng)造“好氧-厭氧”晝夜交替微環(huán)境，定向富集好氧/厭氧微生物（如日間富集好氧菌）。

 

pH震蕩影響酶活性與養(yǎng)分溶解度，間接調(diào)控微生物代謝節(jié)律。

 

方法學(xué)貢獻(xiàn)：

 

首次實現(xiàn)根際微環(huán)境原位秒級監(jiān)測，克服傳統(tǒng)破壞性采樣誤差。

 

量化光-根際-微生物的級聯(lián)效應(yīng)，為“根際泵”理論提供實證。

 

3. 對微生物研究的啟示

 

時空異質(zhì)性量化：Unisense數(shù)據(jù)揭示根際并非均質(zhì)環(huán)境，而是高度動態(tài)的微生境拼圖。

 

機制關(guān)聯(lián)橋梁：電極數(shù)據(jù)將宏觀光信號與微觀微生物響應(yīng)直接關(guān)聯(lián)，例如O?濃度與α多樣性負(fù)相關(guān)（R2=0.73）。

 

總結(jié)

 

本研究通過Unisense電極與多組學(xué)整合，闡明光暴露通過根際氧化還原震蕩主導(dǎo)水稻根際微生物晝夜節(jié)律，而黑暗環(huán)境下內(nèi)源生物鐘維持節(jié)律穩(wěn)定性。丹麥Unisense電極提供的高分辨率原位數(shù)據(jù)，為解析“光-根際-微生物”級聯(lián)效應(yīng)提供了不可替代的技術(shù)支撐，未來可拓展至其他植物-微生物互作研究。