第1章绪论
1.1 荒漠生态系统的环境特征与荒漠植物的逆境适应策略
干旱与半干旱区约占地球陆地面积的 40%（IPCC，2021）。按照联合国环境规划署的定义（ UNEP，1992），根据干旱指数（ aridity index，AI，年均降水量与年均潜在蒸发量的比值）的梯度，将干旱与半干旱区划分为极端干旱区（AI<0.05）、干旱区（ 0.05 （0.50 图 1.1 荒漠植物所处的生存环境
荒漠植被由短命的一年生植物或肉质（茎或叶肉质化）多年生植物，以及非肉质多年生植物（灌木、草本植物和乔木等）组成（ Alsharif et al.，2020）。极端的环境条件使这些荒漠植物在长期的演化过程中拥有了独特的适应机制，主要包括降低气孔导度、改变叶片反射率和方向、增厚蜡质层、积累酚类化合物和渗透调节物质、激活抗氧化防御体系、光呼吸、景天酸代谢（ CAM）、热激蛋白的表达、形成根鞘（草本植物）、种子休眠（一年生植物）、发达的根系（多年生植物）等形态和生理调节（ Makhalanyane et al.，2015）。其中，短命植物与多年生植物在适应策略上昀大的区别在于对地上和地下生物量的相对投资。为适应干旱环境，多年生荒漠植物的根系比短命植物更发达，地下部分的生物量通常是地上部分的十几倍甚至几十倍。相反，短命植物的根冠比要小得多。例如，在我国极端干旱区广泛分布的骆驼刺，其根系平均分布深度为 15～20 m，而地上部分只有 80 cm左右，地下部分生物量是地上部分生物量的 70倍（Liu et al.，2013）。在夜间，多年生荒漠植物利用深根将白天吸收的水分释放到浅层土壤中，为浅根系植物提供了水分来源（ Caldwell et al.，1998），促进了整个群落的繁荣，共同维持了荒漠生态系统的稳定（图 1.1）。因此，这种对根系生物量的大量投资赋予了多年生荒漠植被极强的抵御贫瘠土壤和极端干旱的能力，使它们成为防风固沙先锋植物和优质饲草，在维持荒漠生态系统稳定、保障绿洲生态安全、促进农牧民增收方面发挥着重要作用（ Zhang et al.，2020b）。
1.2 荒漠植物微生物生态学的研究意义
植物并非独立的实体，与动物类似，植物与其相关的微生物群落之间也存在复杂的相互作用，共同组成一个独特的生态单元，称为共生功能体（Vandenkoornhuyse et al.，2015）。具有植物生长促进（plant growth promoting，PGP）特征的微生物与植物宿主的协同作用能够扩展宿主的基因组和代谢能力，提供一系列必要的生命维持功能，如营养获取、免疫调节和生物或非生物抗性等（ Bever， 1994；Bever et al.，2010；Schnitzer et al.，2011；Fitzpatrick et al.，2018），有利于共生功能体的适应性和表型可塑性。植物微生物群落与其提供的功能在胁迫和环境刺激下会发生变化，这种变化并非是植物的被动反应，而是在数百万年的共同进化过程中，植物通过主动寻求与微生物的合作对抗胁迫的表现（ Durán et al.， 2018）。鉴于植物微生物群落的重要性，人们越来越期望通过模拟和管理植物与微生物间的相互作用以发展绿色农业和修复退化植被，但目前我们对植物微生物群落的认识仍处于起步阶段。
生物多样性和功能在时间和（或）空间上形成的过程被称为群落组装（或称装配，assembly）（Graham et al.，2017；Xun et al.，2019），分为确定性和随机性过程（Tripathi et al.，2018）。微生物通过环境的水平传播和宿主亲本的垂直传播组装到植物的表面和内部，这些过程涉及物种组成和丰度的动态变化，以及不同生态位形成。根系是植物养分输出的主要器官，为附近的微生物提供了碳（C）和能量来源，维持了一个由非根际土（ bulk soil）-根际土（rhizosphere soil）-根内（endosphere）微生物组成的具有一定功能和结构的复杂食物网，共同组成植物的根系微生物群落（ root-associated microbial community）（图 1.2）。根系微生物群落是研究植物与微生物相互作用的理想模型（ Edwards et al.，2015）。大量基于模式植物和经济作物的研究表明，植物最先通过根部的分泌活动吸引非根际微生物到达根际（ Jones et al.，2009；Hirsch and Mauchline，2012），随后在根表面被进一步选择，昀终进入根内（ van der Heijden and Schlaeppi，2015）。根际中的有益微生物通过生物固氮、无机磷溶解以及产生铁载体、植物激素、抗生素等途径帮助宿主植物获得水分和养分，以增强其防御力，进而调控宿主植物对生物和非生物胁迫的响应。一些具有固氮功能的微生物可以在豆科植物根部结瘤并将空气中的氮气转化为氨态氮，供豆科植物生长发育。利用豆科植物的生物固氮作用，将其与非豆科植物间作可以促进非豆科植物对氮素的吸收，提高土壤肥力和单位土地的生产力（陈莹等， 2022）。因此，揭示植物根系微生物群落的组装机制，探究其群落功能，有助于深入理解植物与微生物的共生关系以及植物的生存策略。
图 1.2 根系不同分区示意图（Chen et al.，2018）
根系微生物群落的组装过程受多种生物和非生物因素的共同影响，包括宿主的生长发育阶段、宿主的功能性状、土壤理化性质和地理因素等（Chen et al.，2018， 2019）。例如，在植物生长发育早期定植的微生物具有优先效应（ Fukami and Tadashi，2015），通过分泌抗生素、挤占生态位和调控宿主免疫系统排斥后来的微生物类群。同时，这种优先效应会随着宿主的生长发育得到不断强化，并且可以稳定地遗传给后代（ Morella et al.，2020）。这为植物遗传育种改良提供了捷径，在实现期望的植物表型的同时大大缩短了育种年限（ Toju et al.，2018）。
尽管荒漠生态系统的初级生产力不及水分和养分状况较好的其他生态系统，且更加脆弱，对环境变化更为敏感，但荒漠植物和其根系微生物分别具有各自独特的生态位和适应性特征，在干旱、高温、高辐射、低资源有效性的恶劣环境中协同进化（Martirosyan et al.，2016）。因此，荒漠植物对极端生境的适应部分源自其相关的微生物群落。由于荒漠植被稀疏、多样性低，与荒漠植物相关的微生物群落的物种组成、多样性、生态功能及关键驱动因素的研究相对有限，对上述知识的补充将有助于深入理解荒漠植物与微生物的共生关系，揭示荒漠植物的适应机制，为区域退化荒漠生态系统的有效保护和合理利用提供重要的科学依据，进而为区域经济社会发展和生态环境建设提供重要的技术支撑。
1.3 荒漠植物微生物生态学的研究进展
植物的根、茎、叶、花、种子和果实等为微生物提供了大量的栖息地（ Compant et al.，2005；Maestre et al.，2012；Rosier et al.，2016）。它们在帮助宿主应对荒漠恶劣生境方面发挥了重要作用。然而，与经济作物相比，荒漠植物与微生物间的互作关系还没有得到充分研究（ Zhang et al.，2022）。
现有的研究表明，影响荒漠植物微生物群落组装的因素包括宿主根系分区和土壤因素。骆驼刺在 30天和多年生阶段细菌和真菌群落显著不同于 60天至 2年生阶段。沿着土壤-根际-根内连续体方向，微生物 α多样性逐渐降低，而群落异质性逐渐增大，显示出明显的宿主选择效应。在群落构建过程方面， 30天（41.21%）和多年生（ 46.83%）阶段，以及根际微生物群落（ 46.90%）的构建以同质性选择为主（Zhang et al.，2022a，2022b）。Citlali等（2016）发现生态位适应是影响墨西哥不同地区的两种仙人掌科（ Cactaceae）植物龙神柱（ Myrtillocactus geometrizans）和壮干仙人掌（ Opuntia robusta）不同生态位（根内、根际和叶际等）中微生物群落组装的主要因素，这与其他荒漠多肉植物的微生物群落组成相似；同时，从这两种植物的种子中分离得到的有益菌株表现出耐干旱的优良特性。与具有浅根系的仙人掌科不同， Marasco等（2018）则认为随机性过程和土壤因素主导了纳米布沙漠多年生荒漠深根植物 Stipagrostis sabulicola、Stipagrostis seelyae和 Cladoraphis spinosa根鞘–根系统（ rhizosheath，通过根毛、菌丝和黏液作用附着在根上的土壤，是部分荒漠旱生植物的适应性特征）中微生物群落的演替过程，而非植物类型。骆驼刺作为固氮植物与花花柴的种间互作能显著改变根际和非根际微生物的群落结构，并招募更多的关键类群（ keystone），使根际微生物网络更加复杂，并提高非根际网络的模块化和稳定性（ Zhang et al.，2021a）。土壤水分和氮素的变化能显著改变骆驼刺根际真菌的群落结构，而对细菌的影响不显著；氮素添加和干旱胁迫能够提高骆驼刺根际微生物互作网络的复杂性及对资源变化的反应速度（ Zhang et al.，2021b）。风积土和灰漠土是荒漠生态系统中两种典型的土壤，它们在理化性质上的差异（如盐分和土壤有机碳等）显著影响了荒漠植物的生长和相关微生物的群落结构（ Peng et al.，2023）。
目前，虽然已有一些研究探讨了荒漠植物与微生物群落间的关系，但关于多年生荒漠植物根际生境和微生物群落在土壤剖面上的垂直分布特征，根相关微生物群落的构建过程及对土壤资源变化的响应机制，不同土壤深度微生物与凋落物分解的内在联系，荒漠豆科植物根瘤菌的海拔分布格局，豆科与非豆科荒漠植物种间互作的微生物学过程等方面的研究仍十分有限，值得深入研究。
1.4 微生物生态学的研究方法
微生物生态学研究的首要目标是分析特定环境中微生物的组成及其变化特征。然而，利用精度低的分析方法很难推断出微生物群落组装的一般原理。
由于可被人为培养的微生物占很小比例（ <1%），从而使得对特定环境中微生物群落结构的分析受到很大限制。基于传统的纯培养方法对微生物的分辨能力低，分子生物学的方法提供了一种不依赖培养的途径，可以在很大程度上挖掘出微生物群落的结构及其在生态系统中的功能（温学发， 2020）。利用分子生物学技术可以直接对环境样品中的原核微生物核糖体 RNA（rRNA）和真核微生物内转录间隔区（internal transcribed spacer，ITS）基因中特定的序列区域进行扩增子测序，普查群落的物种组成，掌握其多样性和变化规律（高贵锋和褚海燕， 2020）。目前，大多数微生物生态学的研究集中在特定环境中微生物的物种组成，并分析它们潜在的功能特征或执行的生态功能（ Zimmerman et al.，2014）。此外，植物-微生物-环境因子间的相互作用方面的研究也受到越来越多的关注。
在过去的十多年中，微生物的研究手段得到了快速的发展，且迅速商业化，尤其是二代测序（ next-generation sequencing，NGS）技术将微生物生态学研究的难度和成本大大降低，这有助于更好地发掘出微生物在生态系统中的功能，使我们已经有能力较为全面地刻画出微生物群落在各方面的特性，从而深入探讨它们在特定生态系统的意义。高通量测序（ high-throughput sequencing）是目前主流的分析方法，也称第二代测序技术，有 Roche Inc公司的 454焦磷酸测序和 Illum
