环境与生物地理因素对干旱单种红树林土壤群落研究 | 微生物专题
发表时间：2022.01.5
发表期刊：Microbiology Spectrum（IF:7.171）
研究背景：
红树林是世界上最有效的天然蓝碳之一，在沿海水域的养分循环和净化中发挥着不可或缺的作用。红树林土壤的特点是其物理、化学和生物成分的高度空间异质性。红树林土壤细菌占土壤生物量的30%，在调节森林的生化过程中发挥着关键作用。然而，尽管微生物群落在碳封存和额外的生态系统服务中发挥作用，但并未像在珊瑚礁、远洋海洋、森林和农业牧场等其他环境中那样受到同样的关注。为了评估和预测碳储存的变化，重要的是要了解细菌群落是如何受其环境影响的。本研究采用高通量基因测序技术分析了比较了红树林土壤中不同深度、距海洋的距离、不同暴露于海洋影响的森林中以及两个都以炎热和干旱气候为主的遥远地理区域（沙特阿拉伯和澳大利亚）的细菌群落，通过微生物相关性网络以研究细菌群落组成和结构的差异。
研究对象：红树林土壤微生物
研究方法：16S rRNA基因测序
研究设计：
分别在两个距离较大的干旱单种红树林进行采样：澳大利亚中部西海岸（22.49°S；114.33° E）以及以及红海中部，西部沙特阿拉伯海岸 （22.33°N; 39.09°E）。这些地区相距约 9,500 公里，分别位于热带的南部和北部边界，具有一定的气候特征如年平均降雨量低（分别为 249 毫米和 54 毫米）和年平均最高气温高（32.0°C和36.3 °C）。采样于 2018 年 6 月在澳大利亚和 2018 年 12 月在沙特阿拉伯进行，分别为这两个地区的冬季。从澳大利亚每个区域的红树林土壤中采集了 6 个岩心，而沙特阿拉伯的每个区域采集了 9 个岩心。使用带有截止尖端（直径 3 厘米）的 60 毫升聚乙烯注射器取出岩心，该注射器延伸到土壤中约 10 厘米。所有岩心随后被分成表面（0 - 2 厘米）和地下（5 - 7 厘米）部分。由于底层坚硬的碳酸盐平台，沙特阿拉伯暴露地点的土壤深度非常浅（最大 5 厘米）。在这些环境中，对可能的最深深度进行了采样（3 – 5 厘米）。所有样品在冰上避光保存，并在取样完成后立即带到实验室在 -80°C 下储存（2 - 3 小时）。跨越地理区域（沙特阿拉伯/澳大利亚）、沿海暴露（暴露/遮蔽）、森林区（边缘/灌木）和土壤深度（地表/地下），共收集了 120 个样本。将样本运到实验室后进行DNA提取，采用16S rRNA基因测序对红树林土壤微生物进行分析，并讨论环境因素对塑造土壤微生物群落的影响。
主要结果：
从等级-丰度关系图看样本间没有很大的变化，地理区域、暴露和区域的每种组合的物种丰富度差异显著，但深度不存在差异（图1A）。澳大利亚相比，沙特阿拉伯的物种丰富度（观察到的 ASV）显示出更高的 ASV 数量（图2B）。香农指数的变化仅在局部因素的相互作用之间显著，除澳大利亚暴露地点外，森林灌木区土壤深度差异显着，土壤表层多样性较高(图 1C）。
地理区域、暴露和区域之间的系统发育多样性差异显著。系统发育多样性在沙特阿拉伯的灌木中最高，与边缘相比，灌木区的值通常更高（图 1D）。与物种丰富度和香农指数一样，澳大利亚庇护地的系统发育多样性在区域之间呈现出相反的趋势，与灌木相比，边缘的多样性更高。
图1 来自干旱红树林土壤的细菌群落样本多样性。
在澳大利亚（绿色）和沙特阿拉伯（橙色）跨区域（边缘、灌木）和深度（浅灰色表面，深灰色地下）的红树林土壤中检测到的细菌群落α多样性。A）ASV 按位置划分的等级-丰度关系；B）观察到的ASV数量描述的物种丰富度；C）香农多样性指数；D）系统发育多样性指数 (Faith's PD)
全部样品数据集中门的相对丰度如图2A所示，变形菌门是所有样本中最丰富的门（58.96%），其次是拟杆菌门（17.44%）、绿曲菌门（8.06%）、钙毛菌门（3.81%）和硝化螺菌门（1.59%），占整个群落的90%。在灌木区，表层和地下植物门相对丰度的差异比高大边缘区更明显。这在两个地理区域的暴露和遮蔽场所是一致的。特别是在灌木样品中，地下层的变形菌门的相对丰度高于地表层。
图2比较不同实验因素地理区域、暴露、区域和深度间的细菌群落。
A）数据集中门的相对丰度；B）PERMANOVA中的R2值；C）NMDS绘制ASV水平的实验因子群落矩阵图；D）NMDS绘制地理区域、暴露、区域和深度的属水平群落矩阵图
根据ASV水平绘制的NMDS图通过第一轴的因子可将样本区分开（图2C），地理区域因素主要解释了沿第二轴的数据分布。在属水平，第一轴上的因子仍能将样本隔开，地理区域因素则不能分开样本（图2D）。
网络分析揭示了红树林土壤的细菌 ASV 在本研究中的各个因素之间存在明显的共现模式。与沙特阿拉伯相比，澳大利亚网络包含的平均节点数较低，边数较多，因此相邻的密度和平均数较高，但网络直径较小。如在每个网络中检测到的模块数量所示，沙特阿拉伯较高，而澳大利亚网络的聚类系数和集中度较高（表1）。
表1 澳大利亚和沙特阿拉伯所有样本微生物共生网络特征汇总数据
每个门的中介中心度显示了实验因素之间的差异（图 3A）。与澳大利亚相比，沙特阿拉伯的介数分数在门之间的分布更均匀。这是由澳大利亚样品中Calditricaeota、Planctomycetes和Spirochaetes的高变异性驱动的。在地理区域之间，蓝细菌和紫西细菌表现出明显的差异。蓝细菌在两个地理区域的灌木样品中更为中心，紫西细菌在灌木样品中也更为中心。不同深度下蓝细菌和硝化螺菌各不相同。蓝藻的值在表层较高，Nitrospirae在大多数样品的地下更中心。Actinobacteria、Gemmatimodetes和Chloroflexi显示出始终如一的高中介中心度，而Proteobacteria和Bacteroidetes在所有样本中是恒定的平均值。
图3 不同门的网络度量。A）中介中心度；B）拓扑系数
拓扑系数突出了网络中不同门的作用（图3B），拓扑系数的值在沙特阿拉伯样本的门之间分布更均匀。澳大利亚样本中高度可变的是放线菌和蓝细菌。Gemmatimodetes在澳大利亚森林地的土壤中显示出很高的价值。不同地理区域，螺旋体和紫西细菌表现出最强的差异，边缘的得分普遍较高。在深度之间，螺旋体表现出最大的差异，表面的值通常略高。总体而言，硝化螺旋体，螺旋体，紫西杆菌，Gemmatimodetes得分最高。
图4 高分共线网络比较
Keystone分类群分析显示，与澳大利亚网络相比，沙特阿拉伯的重要节点数量增加。在澳大利亚网络中，在灌木林中以单个门为主体的节点相对比例较高（图 4）。澳大利亚网络节点与在沙特阿拉伯的数据形成强烈对比，在沙特阿拉伯的样本中不同门之间共享高度节点，从而代表高度连接节点的更高多样性。
在所有因素中，“硫化合物的呼吸”功能最显著并且在地下层中增加（图5）。“化学异养”是一类在土壤表层普遍存在的途径，尤其是在沙特阿拉伯的非暴露区域。与光合作用有关的功能特性，如“蓝藻细菌”、“光养”、“光自养”和“产氧光自养”，在表层更为丰富，尤其是在沙特阿拉伯的暴露场地。“发酵”在沙特阿拉伯的非暴露以及其他场所的边缘样本中起着重要作用。与地表相比，“好氧亚硝酸盐氧化”和“硝化”在地下更为丰富。
图5功能预测
本研究结果表明，塑造当地土壤环境的环境参数在确定土壤细菌群落的组成方面比地理距离更重要。当以最好的分类分辨率进行研究时，细菌群落的地理分化是显而易见的。因此，在规划红树林恢复和生物地球化学功能（例如碳封存和养分加工）的科学评估时，考虑环境条件的局部变化是非常重要的。了解红树林土壤中微生物群落的空间变异性和分布及其生态功能，对于预测变化并减轻人为压力和气候变化加剧的影响非常重要。
参考文献：
Thomson T, Fusi M, Bennett-Smith MF, Prinz N, Aylagas E, Carvalho S, Lovelock CE, Jones BH, Ellis JI. Contrasting Effects of Local Environmental and Biogeographic Factors on the Composition and Structure of Bacterial Communities in Arid Monospecific Mangrove Soils. Microbiol Spectr. 2022 Jan 5;10(1):e0090321. doi: 10.1128/spectrum.00903-21. Epub ahead of print. PMID: 34985338; PMCID: PMC8729789.
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