陆生植物的根际和根组织内定殖着大量的微生物,这些根系微生物在植物的营养吸收、生长促进和疾病预防等方面发挥着重要作用。然而,豆科植物根系微生物在大陆尺度上的生物地理分布和共发生模式仍不清楚。本文利用高通量测序技术,考察了中国51个大豆农田中土壤、根际、根内和根瘤内的微生物群落组成。在此基础上,系统地比较了土壤、大豆根际和根内细菌的生物地理分布;分析了大豆根瘤内根瘤菌和非根瘤菌内生菌(NRE)的生物地理分布和共发生模式;基于细菌和真菌群落的共发生网络分析,比较了土壤和大豆根际的微生物共发生模式以及共发生网络拓扑属性的地理分布;探究了土壤和大豆根际中固氮微生物的生物地理分布和共发生模式。研究结果如下:1.揭示了细菌在土壤、大豆根际和根内不同的生物地理分布格局。研究发现从大豆根外到根内,细菌群落的组成和物种多样性呈显著的梯度变化特征,且在三个部位受不同的环境和空间因素影响。方差分析进一步表明,环境因素对三个部位细菌群落组成的影响大于空间因素,土壤因素的影响大于气候因素。土壤细菌群落的物种丰富度与纬度呈显著负相关,根际的与纬度呈显著正相关,而根内细菌群落未检测到显著的纬度—多样性梯度关系。细菌群落组成的空间自相关距离范围在三个部位亦明显不同。此外,最邻近分类指数(NTI)分析表明,虽然确定性过程决定了细菌群落结构,但是其强度从根外到根内逐渐降低。2.探明了大豆根瘤内根瘤菌和NRE不同的生物地理分布格局。NRE子群落显著的距离—衰减关系,以及整个群落物种的空间分布点与平均相对丰度之间显著的正相关关系共同表明NRE比根瘤菌具有更低的扩散潜力。聚类分析发现,根瘤菌子群落聚成剑菌属和慢生根瘤菌属占主导的两组,NRE子群落聚成变形菌门和厚壁菌门占主导的两组。根瘤菌和NRE子群落组成受不同的环境和空间因素影响:前者受土壤pH的影响最大,而后者受气候因素影响比土壤因素影响更大。共发生网络分析发现,根瘤菌和NRE位于不同的网络模块,并且两者的模块间无网络连接,说明这两类细菌在大豆根瘤中不具重叠的生态位。3.阐明了土壤和大豆根际不同的微生物共发生模式。研究发现微生物共发生网络的结构和组成在上述两个生境中存在明显差异,并且这种差异因采样区域而异:相比土壤微生物网络,大豆根际微生物网络在整个采样区域、南方地区和北方地区分别具有相似、较高和较低的网络复杂度,且其细菌—真菌网络连接比例更低、模块系数更小、平均路径长度更短。与南方地区的微生物网络相比,北方地区的网络中细菌—真菌连接比例较高。此外,网络拓扑属性的地理分布及其环境影响因素在土壤和根际、南方和北方地区、细菌和真菌之间均有明显差异。在两个生境中,细菌子网络受土壤pH影响最大,而真菌子网络受土壤水溶性镁含量的影响最大。4.揭示了土壤和大豆根际固氮微生物不同的生物地理分布格局和共发生模式。固氮微生物群落在两个生境中呈现出显著的距离—衰减关系,但是土壤固氮微生物较大豆根际具有更高的空间转变速率。偏Mantel分析和基于距离的线性模型(distLM)分析发现,固氮微生物群落组成主要受环境因素而非空间因素驱动,其中土壤pH和年平均降水量是最重要的两个驱动因素。土壤和大豆根际固氮微生物在共发生网络的结构和组成上也存在明显差异,大豆根际网络的负网络连接较多、平均聚类系数较小、平均最短路径长度较短,表明固氮微生物在两个生境中不同的共发生模式。此外,同属的固氮微生物倾向于共发生并形成单独网络模块,反映出属水平上的确定性过程对固氮微生物群落构建的重要影响。综上所述,本研究通过考察大陆尺度上大豆根系不同生境中微生物的生物地理分布和共发生模式,揭示了影响大豆根系微生物群落组成和多样性,以及微生物之间潜在相互作用和生态位分化的重要生态因素,研究结果为根系微生物的群落构建提供了新的见解。