Nature Food | 南京农大蒋建东教授团队发文揭示了全球植物益生菌的格局变化及其实际指导意义

灰藻生物

关键词：#Nature Food| #蒋建东 | #植物益生菌 | #农业安全  

文章导读

植物益生菌可为植物提供多种益处，如固氮、溶磷、生防、促生、抗逆等，是提高作物生产力的可持续途径。然而，目前对植物益生菌的认识还不够全面，缺乏对其全球分布格局和驱动因素的系统研究。为了填补这一空白，南京农业大学蒋建东教授团队在Nature Food发表了题目为“Fossil-fuel-dependent scenarios could lead to a significant decline of global plant-beneficial bacteria abundance in soils by 2100”的文章，通过构建基于微生物分类学和功能性状的数据库，同时利用地球微生物组计划（EMP）的数据，分析了PBB的全球地理分布和未来变化。

文章摘要

文章构建了一个植物益生菌（PBB）数据库，将微生物分类学及其对植物有益的性状结合起来，并分析了4245个土壤样本中潜在PBB的全球分布。结果表明，PBB的多样性在低纬度地区最高，遵循强烈的纬度多样性梯度。PBB的分布主要受环境过滤控制，其中气候是最重要的影响因素。预测模型显示，依赖化石燃料的未来情景将导致到2100年土壤中PBB的相对丰度显著下降，特别是生防细菌和抗逆细菌，这可能会威胁全球粮食生产和（农业）生态系统服务。

共同通讯：南京农大生命科学学院蒋建东教授、王保战教授；共同第一作者：南京农大生命科学学院钟山研究员、李朋发博士、爱沙尼亚塔尔图大学Leho Tedersoo教授

图1、文章封面    来源：https://www.nature.com/articles/s43016-023-00869-9

材料和方法

文章从文献中收集了396个细菌属的植物有益性状信息，包括生防、促生、抗逆等，构建了PBB数据库。其次，从EMP中筛选出4245个土壤样本的16S rRNA基因测序数据，计算了每个样本中PBB的相对丰度和多样性。然后，使用多元回归树（MRT）和广义线性混合模型（GLMM）分析了PBB的分布与环境因子（气候、土壤、植被、地形等）的关系。最后，使用随机森林（RF）模型预测了不同排放情景下（RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5）到2100年PBB的相对丰度的变化。

图2、研究材料和方法    来源：https://www.nature.com/articles/s43016-023-00869-9

结果和讨论

文章发现PBB的多样性在低纬度地区最高，存在一个明显的纬度多样性梯度，这与全球土壤细菌多样性的分布模式一致。PBB的分布主要受环境过滤控制，而气候是最重要的影响因素，尤其是温度和降水。MRT和GLMM的结果表明，不同类型的PBB对环境因子的响应存在差异，例如，生防细菌更偏爱温暖湿润的环境，而抗逆细菌更适应干旱寒冷的环境。RF的结果表明，到2100年，土壤中PBB的相对丰度将出现明显下降，尤其是在高排放情景下，生防细菌和抗逆细菌的相对丰度下降最为显著，分别为-1.03%和-0.61%。这可能会影响PBB对植物的有益效应，从而降低作物的产量和质量，增加植物的病害和逆境风险，损害（农业）生态系统的功能和稳定性。

图3、结果与谈论    来源：https://www.nature.com/articles/s43016-023-00869-9

文章总结

文章构建了全球最大的PBB数据库，揭示了PBB的全球分布格局与驱动因素，预测了PBB的未来变化趋势，为理解和利用PBB的潜在效益提供了理论基础和数据支撑。文章也指出PBB面临的威胁和挑战，建议采取基于低排放、碳中和的可持续社会发展路径，以维持PBB的多样性和丰度，保障全球粮食安全、促进农业可持续发展。

同行评论

加利福尼亚州立大学Joshua Ladau教授和得克萨斯大学埃尔帕索分校Kelly S. Ramirez教授对本工作进行了专题评述，认为全球有益细菌数据库（PBB）的构建对于可持续地解决和保障全球日益增长的农业需求至关重要，也是将土壤生物多样性知识纳入当前国际生物多样性保护目标的重要一步。

参考文献

1、Li, P., Tedersoo, L., Crowther, T.W. et al. Fossil-fuel-dependent scenarios could lead to a significant decline of global plant-beneficial bacteria abundance in soils by 2100. Nat Food (2023). https://doi.org/10.1038/s43016-023-00869-9

2、https://doi.org/10.1038/s43016-023-00877-9 ："A global catalogue of plant-beneficial bacteria”

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更新日期：2023-11-03