草原造林对土壤微生物组群落结构和功能的影响 | 微生物专题

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标题：草原造林对土壤微生物组群落结构和功能的影响

杂志：Science of the Total Environment

影响因子：5.589

样本类型及数目：18个 土壤样本

测序技术：16S rDNA、ITS

关键词：草原造林，土壤，细菌，真菌，氮循环

前言

生物地质化学循环又称为生态系统物种循环，指的是化学元素或者分子在生态系统中的生物群落和无机环境间之间的相互循环。在这些过程中微生物所扮演的角色不容忽视，而其中最主要的活动范围就是——土壤。

土壤中的微生物是生态系统过程的中主要的驱动力，在完成分解土壤有机质和植物凋落物的同时，参与碳循环、氮循环。因此，探究土壤微生物的组成及分布可以揭示土壤中的微生物与其环境之间的相互关系，及人为干扰对其的影响，例如草原造林。

样本准备

土壤微生物群落受到气候、土壤性质、植被类型等因素影响，且会因为取样位置、取样时间的不同产生波动。因此，合适的实验场所是土壤群落调查的先决条件。为了尽可能的减少外界因素对微生物群落组成造成的影响，样地应尽可能的具有上述条件，例如相似的土壤性质、气候条件及土地使用历史。

不同的研究目的，对土壤采样位置也需采用不用的设计方案。例如，本次实验的目的是为了的关注的微生物在土地中的物质转化，因此，样本收集了0-5cm的表层土壤（混样），同时去除其他杂物及过筛去根。测量基本土壤指数（温度和湿度）后，分成两部分：一个样本干燥测量土壤物理及化学指标；另一个样本保存至-80℃冰箱。

GL，FL，和TZ表示天然草原，中国油松林和天然草地与松树林过渡地带。

主要结果

首先作者对扩增子测序结果——OTU（QIMME 流程）进行描述，包含细菌与真菌两部分内容，并作统计学分析。作者通过比较不同样本的 Chao 指数、Shannon 指数发现，GL地区的真菌微生物多样性显著高于FL和TZ地区，但FL与TZ之间没有显著差异。

并通过Venn图对OTU数据进行展示。

随后在物种注释层面，作者挑选聚类图及堆叠图共同展示，不同的样本微生物组成之间存在差异。例如，草地造林15年后，微生物门水平上优势细菌从变形菌（32.8％）变更为放线菌（35.7％）（图3b）。当与GL相比，放线菌和绿弯菌门的平均相对丰度增加了17.0％和1.6％，而变形菌，酸杆菌门的，和厚壁菌门在FL，分别（图减少了6.1％，9.6％，和2.6％。图3b）。并使用相同的方式展示真菌群落的变化。

属水平上，高丰度的细菌属通常在三个地区的样本都具有相似的分布，但是GL地区与其他两个地区的真菌属差异明显。

真菌功能上作者通过真菌学在线数据库Index Fungorum上记录，将属水平真菌分为 biotroph，saprotroph，symbiotroph及unclassified fungi 四大类（图5）。

与RDA分析使用场景类似，典型关联分析(Canonical Correlation Analysis，以下简称CCA)也是一种挖掘扩增子与环境指标数据关联的算法之一。本文中的CCA结果显示，SAN和TN这两个因素显著影响土壤细菌和真菌的社区（P < 0.05）。SM，clay及SOC能够影响土壤细菌和真菌多样性，但是并不显著（P < 0.1）。此外，根据stepwise regressions models分析，SAN是土壤中真菌多样性的关键因素。

结论与讨论

ECM fungal是指植物根系产生一种互利共生状态的真菌，真菌的菌丝着生在植物根系与皮层细胞间向外伸展，由于菌丝向外伸展，增加对水分及养分吸收的能力，提供植物所需的水分及养分，同时，植物因光合作用所合成的碳水化合物提供真菌所需的碳源，两者互利共生。此现象常发生在森林树木与真菌共生所形成的外生菌根。

总体来看，细菌群落对于土地使用变化较真菌来说并不敏感，土壤真菌多样性造林后显著降低。草原造林增加了ECM真菌，同时降低了biotrophic 类的真菌；在森林 - 草原过渡区域的土壤微生物多样性与林地相似。土壤中氮元素起着推动土壤微生物群落变化的关键角色，在草原造林之后，恢复草原微生物系统的时候，也能够通过氮肥提高草地中微生物群落组成，加快天然草地的恢复。

思路拓展

微生物在生态系统中，不单单只扮演分解者的角色，可能与植物协同共同构土壤微环境。已有研究报道，微生物与植物生长发育、逆境胁迫、植物感知与定植等过程中发挥重要作用，不仅能够加深我们对大自然的理解，同时能够指导我们在栽培、农业中实践，改善传统化学手段解决农业问题的弊端。

从发文趋势上来看，杂志越来越倾向于使用多组学分析开展开展土壤微生物组研究，从多个维度解释微生物在各个过程中所发挥的潜在作用。例如，添加组学测序手段（包括16S、ITS、宏基因组、代谢组等），结合上述的生理实验指标，不仅能够提供多维数据支撑，同时能够为潜在未知信息探索铺路，增加文章份量。

例如：

探究沙漠（不同干旱土壤程度）对微生物组成的影响（通过16S rRNA 方法）发表在mSystems （IF 6.519）上。

做不同的施肥方式（有机肥_vs_无机肥）、气候对土壤微生物群落的影响（通过16S rRNA 方法）发表在了Microbiome上（IF 10.465）

研究土壤微生物与植物病害的研究（马铃薯疮痂病）之间关系（首先通过扩增子测序和qPCR证实土壤微生物与疮痂病紧密联系），然后通过宏基因组测序进一步探究微生物组功能，发表在了Microbiome上（IF 10.465）。

主要参考文献

Wang, Kaibo, et al. "Effects of grassland afforestation on structure and function of soil bacterial and fungal communities." Science of the total environment 676 (2019): 396-406.

Neilson, Julia W., et al. "Significant impacts of increasing aridity on the arid soil microbiome." MSystems 2.3 (2017): e00195-16.

Lourenço, Késia Silva, et al. "Resilience of the resident soil microbiome to organic and inorganic amendment disturbances and to temporary bacterial invasion." Microbiome6.1 (2018): 142.

Shi, Wencong, et al. "The occurrence of potato common scab correlates with the community composition and function of the geocaulosphere soil microbiome." Microbiome 7.1 (2019): 1

Levy, Asaf, et al. "Elucidating bacterial gene functions in the plant microbiome." Cell host & microbe 24.4 (2018): 475-485.

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