结果

1.植物生长过程中细菌群落的特征。

根际土壤的Shannon多样性随大豆生长逐渐增加，并在成熟期达到顶峰（图2）。基于Bray-Curtis 距离的PCoA 和PERMANOVA 分析显示大豆的生长期是影响微生物群落组成的主要因素（图2B、C）。随着大豆的生长，微生物群落相似性逐渐增加（图2B），并且越靠近根部，大豆的生长对群落构成的影响越大（图2C）。在群落组成中，放线菌（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、酸性菌门（Acidobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）为优势菌群。其中，放线菌（Actinobacteria）的相对丰度随大豆生长增加（图2D）。

作者进一步研究了三种CMC浓度对群落组成的影响。使用了高浓度土壤改良剂后，Rhizobiaceae和 Comamonadaceae在开花期显著富集（图2E）。随机森林模型进一步证明了细菌群落在预测镉富集中起到关键作用。

图2：植物生长过程中细菌群落的特征

2. 根际微生物组发育后期三个阶段的功能特征

考虑到根际细菌群落对大豆生长的影响，作者收集了开花（T3）到成熟期（T5）对照组的根际样品，并进行了宏基因组测序，以研究微生物的功能特征。作者发现功能的多样性在开花期到顶峰，但在成熟期降低；微生物的功能组成也随着大豆生长显著变化（图3A、B、C）。虽然在成熟期（T5）微生物功能多样性达到最低，但差异丰度分析表明，在成熟期显著富集的功能数量较多。与ABC转运蛋白（ABC transporters）、氮代谢（nitrogen metabolism）、次级代谢物（secondary metabolites）、氨基酸转运（amino acid transport）相关的功能在成熟期富集（图3C）。其中，次级代谢物（secondary metabolites）和氨基酸转运（amino acid transport）是调控植物生长以及增强植物抗逆性的重要功能。作者进一步研究了对次级代谢物（secondary metabolites）有重要贡献的分类群（图3D）。这部分功能主要来源Bradyrhizobiaceae、Comamonadaceae和Nocardioidaceae。这些结果表明大豆的发育影响了根际微生物群的功能性状，并突出了与次级代谢物 （secondary metabolites）和氨基酸运输（amino acid transport）相关的功能类群在提高大豆对镉胁迫适应性的重要性。

图3：根际微生物组发育后期三个阶段的功能特征

3.病毒群落组成分析及其与细菌群落的相互作用关系

本研究中的病毒与农业土壤病毒相似，但其中有38.8%~46.2%的病毒是未知病毒（图4A、B）。除去土壤中大量未知的病毒，在镉胁迫下，Kyanoviridae、Peduoviridae和Zierdtviridae为主要的病毒群类；Zierdtviridae的相对丰度随着大豆生长增加。此外，病毒的vOTU数量与土壤pH值成反比，并与土壤中ACd（available Cd）成正比。作者进一步研究了病毒群落与细菌群落的关系。病毒和细菌群落的组成呈显著正相关（图4C）。基于Bray–Curtis dissimilarities的Mental test 进一步证明了病毒群落差异性与细菌群落的差异相关。

通过研究细菌和病毒的群落组装过程，作者发现，细菌和病毒分类群落的NST(normalized stochasticity ratio)值均低于0.5，表明确定性过程在分类群落组装中起关键作用（图4E）。然而在大豆开花到成熟期间，病毒的功能群落以随机性为主（NST从0.58上升到0.7）。通过研究病毒-宿主的联系，在T3-T5期间，5 个主要被病毒感染的属类为Proteobacteria中的Bradyrhizobium和Sphingomonas、Acidobacteria中的Sulfopaludibacter、Nitrospirae中的Nitrospira以及Actinobacteria中的Nocardioides。大多数病毒contigs 与多个细菌属类相关联。与其他时期相比，开花期的病毒群落与宿主有更多的关联（图4F）。

图4：大豆发育过程中病毒群落组成分析及其与细菌群落的相互作用关系

4.病毒编码辅助代谢基因（AMGs）的分类群落变化

在识别出的辅助代谢基因中，这些基因覆盖了广泛的微生物代谢活动，并且每个功能类别的表达都遵循大豆的生长动态。例如，参与氨基酸、次级代谢物、碳水化合物和核苷酸代谢的AMGs在成熟期相对丰富；与聚糖代谢（glycan metabolism）和异生素降解代谢（xenobiotics biodegradation）相关的AMGs在开花和结荚期相对丰富（图5A）。同时，作者发现了一些AMGs与养分循环（nutrient cycling）相关，这表明病毒在驱动生物地球化学循环中可能发挥作用。Genomic contexts和蛋白结构预测揭示了AMGs通过编码结构完整的蛋白质来实现其功能。如图5B中，queC、queD和queE位于同一基因邻域内，并且共享同一个启动子。根据之前研究表明，氨基酸转运（amino acid transport）和次生代谢物（secondary metabolites）相关的功能分类，对大豆在镉胁迫下的生长有所帮助，作者进一步对P4HA和E2.1.1.104这两个AMGs进行了系统发育分析。病毒编码的P4HA主要来源于变形菌门（Proteobacteria）而E2.1.1.104主要来源于放线菌门（Actinobacteria）。

图5：大豆开花至成熟期病毒编码辅助代谢基因的变化

结论

综上所述，本研究为镉胁迫下，分类以及功能上特异的大豆根际细菌和病毒群落提供了证据。通过田野试验，我们发现施用土壤改良剂可以降低根际有效镉浓度，并在根际招募有益微生物。我们观察到开花后微生物群落组成和功能发生了显著变化，表明开花期是大豆根际微生物群落组装和与根瘤菌共生的关键时期。通过从宏基因组中获得的病毒contigs，我们在病毒和细菌功能群落中观察到不同的组装模式。值得注意的是，我们发现了功能类群的特异性病毒感染，这表明病毒对根瘤菌-大豆的共生关系和大豆适应性的潜在影响。我们还揭示了病毒可以通过编码从微生物类群中获得的AMGs，来驱动养分循环并增强微生物对镉胁迫的适应性。本研究首次对豆科植物（大豆）根际的病毒群落进行了探索，并描述了它们在镉胁迫下的功能性状和与宿主微生物的相互作用。

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