ISME/土壤原生生物在土壤微生物群落中形成一个动态枢纽

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题目：Soil protist communities form a dynamic hub in the soil microbiome

土壤原生生物在土壤微生物群落中形成一个动态枢纽

期刊：ISME （2017）

IF：9.4

通讯作者：李荣

摘要：

       土壤微生物对土壤肥力至关重要。然而，大多数研究集中在细菌和 真菌群落上，而这种微生物组分的自上而下的驱动因素，即原生生物，仍然知之甚少。在这里，我们研究了土壤改良对原生群落的影响，并推断了与细菌和真菌的潜在相互作用。特定的施肥处理对原生群落的结构和功能都有影响。有机肥的施用大大降低了植物病原性原生生物的相对丰度，增加了食菌性和杂食性原生生物。个别生防细菌和真菌的加入进一步改变了土壤原生生物群落的组成，并最终发挥作用。整合原生生物、细菌和真菌群落数据的网络分析，将原生生物作为土壤微生物群的中心枢纽，连接不同的细菌和真菌种群。鉴于原生生物对土壤管理实践的动态响应和在连接土壤微生物网络中的关键地位，原生生物可以在土壤管理和增强细菌和真菌微生物群之间提供杠杆作用，以促进土壤健康。

背景与意义

      原生生物是土壤微生物群中经常被忽视的组成部分。它们在土壤中丰富多样，发挥着一系列功能。原生生物是土壤细菌和真菌以及藻类和线虫的主要消费者。原生生物的活性通过增强微生物循环和刺激促进植物生长根细菌直接提高植物性能。此外，土壤原生生物群落包括一系列动植物病原物种。由于其功能多样性，原生生物控制着各种土壤生物，可能对土壤肥力至关重要。然而，我们对原生生物群落的结构、目标土壤管理如何改变原生生物群落、这些变化如何影响原生生物的功能以及它们如何与潜在的细菌和真菌猎物相联系缺乏了解。在这里，我们在控制的温室条件下进行了实验，研究了施用有机肥料和常规肥料是否能改变原生生物的分类和功能组成，以及它们在土壤微生物群中的相互作用。此外，我们在有机肥料中添加了细菌（淀粉液化芽孢杆菌OF+B）或真菌（木霉OF+T）植物保护剂，以研究这些生物控制剂是否也影响原生群落 。

实验设计：

每一个重复有四个花盆，每个花盆中有12公斤的土壤和三个香草扦插苗

四种土壤处理：

1.化肥处理（CF）每个罐子都补充了相同的NPK（氮磷钾含量）(i.e., 13.25 g urea, 13.75 g P2O5 and 4.10 g K2O)

2.有机肥处理（OF）：氨基酸肥料和鸡粪堆肥重量比为1:1的的混合物有机肥360克。

3.有机肥+细菌（OF+B）：每克（OF）中1.0× 109 CFU Bacillus amyloliquefaciens（Wang B, Yuan J, Zhang J, Shen Z, Zhang M, Li R, et al. (2013). Effects of novel bioorganic fertilizer produced by Bacillus amyloliquefaciens W19 on antagonism of Fusarium wilt of banana. Biol Fertil Soils 49: 435–446）

4.有机肥+真菌（OF+T）：每克（OF）中5.0× 107 CFU Trichoderma guizhouense （Zhang J, Bayram Akcapinar G, Atanasova L, Rahimi MJ, Przylucka A, Yang D, et al. (2016). The neutral metallopeptidase NMP1 of Trichoderma guizhouense is required for mycotrophy and self-defence. Environ Microbiol 18: 580–597 ）

12个月后移除香草扦插苗收集土壤提取DNA，18s rRNA测序分析。

详细设计可参考SBB/Bio-fertilizer application induces soil suppressiveness against Fusarium wilt disease by reshaping the soil microbiome

实验主要结果与讨论

1.   肥料处理影响了土壤原生生物群落结构与多样性

图1注：施肥引起的原生群落变化。（a） 四种施肥处理土壤原生生物群落的单因子加权原理坐标分析（PCoA）和（b）四种施肥处理中具有大致亲缘关系的五个主要原生生物分类类群（Stramenopiles, Alveolata,Rhizaria, Excavata and Amoebozoa）的相对丰度。CF，化肥；OF，有机质肥；OF+B，芽孢杆菌富集有机肥；OF+T，木霉富集有机肥。根据t-检验，条形图上方的不同字母表示在0.05概率水平上存在显著差异。

图2四种处理土壤变量原生生物功能群的冗余分析

由图1，2可以看出，有机肥（OF）与化肥（CF）处理条件下土壤原生生物群落存在显著差异。有机肥（OF）改良提高了最丰富的原生类群的相对丰度，即（Stramenopiles不等鞭毛类, Alveolata囊泡虫类,Rhizaria有孔虫界, Excavata古虫界 与 Amoebozoa阿米巴属）其中大部分是其他微生物的掠食者。这可以解释为有机肥料比化学肥料提供了更广泛的资源范围，从而促进了更高的生物量和细菌和真菌的多样性，进而喂养了更多的原生生物。正如先前在水稻研究中观察到的那样，这种对初级消费者的影响可能会培养多样化和活跃的原生消费者。富集有益微生物（芽孢杆菌和木霉）的有机肥通过减少Stramenopiles, Alveolata 与 Excavata，以及在OF+B处理中最强烈的Rhizaria和Amoebozoa，进一步改变了原生群落的组成。

图3：18s rRNA基因丰度（A）和四种肥料的原生生物（B、C、D、E）α多样性指数。

由图知OF+B、OF+T处理的原生生物丰富度（OTUs）、多样性（系统发育和Shannon）和均匀度均低于OF，这些结果表明，添加的微生物对特定的原生生物类群有不同的影响，可能是通过产生抑制性化合物。已知芽孢杆菌种类产生广泛的次级代谢产物，如环脂肽抗生素和各种挥发性化合物，可以阻止甚至杀死潜在的原生捕食者（译者认为这种推断属于主流的分析推断，现在很多证据说明负相关的联系是微生物通过代谢产物来抑制另外的微生物生长发育）。木霉也可能通过产生抗菌化合物或减少真菌捕食来影响原生生物，但有关原生生物-真菌相互作用的信息太少，无法可靠地解释这些数据。引入的微生物也可能产生间接影响；在两种富含微生物的有机肥处理中，原生生物的多样性较低，Stramenopiles, Alveolata 与 Excavata的相对丰度较低，可能与溶杆菌属有关，与CF处理相比，OF+B和OF+T处理增加了约6倍，已知这一属的成员产生一系列生物活性的次生代谢物，可以抑制土壤微生物。

2. 不同土壤改良剂对原生群落分类和功能组成的影响以及细菌、真菌和原生生物共发生网络

图4注：原生生物在施肥诱导的土壤微生物群中形成一个功能性和动态的中枢。（a） 四种肥料处理中原生生物功能群相对丰度的研究概况。CF，化肥；OF，有机质肥；OF+B，芽孢杆菌富集有机肥；OF+T，木霉富集有机肥。根据Tukey检验，图上方的不同字母表示在0.05概率水平上存在显著差异。（b） 四种施肥处理的原生生物指示OTUs。圆代表原生生物otu，圆的大小对应于所有样本的平均相对丰度（对数变换）。（c） 基于相关的网络分析显示了丰富的细菌和真菌属以及原生生物功能群之间潜在的相互作用。节点大小与所有样本中分类单元的平均相对丰度（对数转换）成正比。连接节点（边）的线表示正（蓝色）或负（红色）共发生关系。

      施肥引起的原生分类群落组成的变化导致原生功能群相对比例的变化，CF处理引起的植物病原性腐霉属（Pythium spp.）是一组分布广泛的数千种植物病原菌。与对照CF相比，三种有机肥处理（OF、OF+B和OF+T）均显著降低了原生植物病原菌，包括腐霉属。这可能是由于引入的有益微生物的直接抑制与拮抗微生物的刺激，或者是促进了原生生物消耗有机物中超过病原菌。顶复亚门被称为脊椎动物和无脊椎动物宿主的专性寄生虫在所有有机肥料处理中都低于对照组（CF），这些结果表明，在化肥处理的土壤中形成了一个相对“病原体和寄生虫”驱动的食物网。相比之下，经过OF处理的土壤不仅腐生生物的含量更高，而且光营养藻类的含量也更高（图4a），表明土壤扰动较小，土壤碳输入增加。OF的指示类群主要是食用其他真核生物的杂食动物（图4b），表明食物网更为复杂。将芽孢杆菌添加到OF中，显著降低了腐殖质和光营养原生质。有必要进行更多的有针对性的研究，以研究在使用不同生物防治剂后原生群落的功能变化及其对土壤功能的长期影响。必须提到的是，我们使用了一种保守的方法只关注喂养方式从而将原生生物分配到不同的功能中，不论任何推理工具，我们的数据库方法都应该谨慎解释。它必然依赖于有限数量的特征参考物种，因此可能偏向于作为功能变异的某些元素的特定功能。目前扩展和改进该分类和功能数据库的努力，将进一步改进该工具，我们预计该方法在未来将更加有用，以推进旨在将原生生物更有效地整合到土壤微生物研究中。

      我们研究了原生生物作为土壤生态网络组成部分的作用。通过构建包含细菌、真菌和原生生物功能群的复合共生网络，我们发现原生生物在土壤网络中形成不同的中枢，连接一系列细菌和真菌分类群。在我们构建的网络中出现了三个主要模块，所有模块中都有原生生物。模块1主要由溶杆菌和一些酸杆菌群等细菌组成，包含5个来自不同分类和功能群（主要是植物致病性腐霉菌、嗜菌性斜纹夜蛾和纳格里菌）的原生节点。模块2以光营养为主（如硅藻门和真柱头藻科）。模块3主要由杂食原生物（如螺旋菌、真草甘膦）控制。每个模块似乎都与特定的功能范围有关，这表明功能相似的微生物之间的相互作用为土壤功能提供了刺激或抑制作用。存在寄生原生物类群，包括潜在的植物致病性腐霉和动物寄生性顶端复合体，但与网络中的其他微生物联系很差。这种断开的位置可能与这些生物对植物和土壤动物的依赖性有关，而不是与其他土壤微生物有关。

结论

       我们的研究突出了土壤微生物群的多营养特性。这项研究是第一个将分类学上指定的原生类群与嵌入在土壤-食物网中的功能群联系起来的研究。土壤改良剂在施用1年后对原生群落产生了强烈的影响，有机质和有益微生物的加入使原生群落组成发生了深刻的变化，并最终发挥作用。这项研究还呼吁科学界更好地将原生生物纳入微生物研究。鉴于其对多种土壤功能的巨大影响，我们建议对土壤原生生物群落的调控为促进土壤健康、植物生长和其他生态系统服务提供了新的途径。

总结

       本文研究土壤原生生物群落为我们开拓了新的视野，尤其是基于喂养方式对原生类群的功能分类。也是前面学习的Microbiome/根际原生生物是决定植物健康的关键因素的部分基础。原生生物在土壤与根际微生物群落研究中越来越多的出现在我们面前，同时也在提示我们在研究复杂的微生物群落结构中细菌与真菌的作用可能很难代表整个系统，研究原生生物群落的结构与功能，可能更有助于我们理解整个微生物群落中的复杂相互作用，进而更好的指导我们通过微生物手段促进土壤与植物健康。

微信号 : lida179438448

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