科研思路｜Microbiome：农田土壤微生物群落是随机变化的？
论文信息
论文题目：Spatial scale affects the relative role of stochasticity versus determinism in soil bacterial communities in wheat fields across the North China Plain
期刊：Microbiome
IF：10.465
发表时间：2018
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研究背景
理解农田土壤微生物群落对于农作物的产量具有重要意义，由特定的环境因子导致的确定性选择在许多时候十分重要，但是在很多情况下，随机性的或生态自然过程是群落结构变化的主导力。
土壤微生物群落中随机因素和确定因素对群落变化影响的相对重要性还不清楚，大部分对于这一方面的研究是在时间尺度上，而空间尺度研究很少。
技术路线
研究结论
1、在不同的空间尺度范围内，随机因素和确定因素对土壤微生物群落影响的相对重要性也是不同的，在华北平原农田土壤中，在150-900km尺度范围内，随机因素作用更大，在超过900km的尺度范围内，确定因素作用更大，在青藏高原土壤中，130-1200km尺度范围内，确定因素作用更大，在小于130km的尺度内，随机因素作用更大，整体来说，在相对较小的空间尺度上，随机因素对微生物群落变化作用更大，而在范围较大的空间尺度上，确定因素影响更大。
2、在华北平原农田土壤中，土壤pH对土壤微生物群落结构和多样性影响最大。
3、在华北平原农田土壤中，Actinobacteria、Alphaproteobacteria、Acidobacteria、Gammaproteobacteria、Betaproteobacteria、和Chloroflexi为主要微生物，占总微生物群落的75%以上。
4、华北平原土壤微生物群落α多样性与pH显著正相关，年平均降雨量和平均温度与细菌群落结构显著相关。
5、VPA分析表明，环境因子对华北平原样品群落结构的解释为19.7%，空间尺度为4.1%。
研究特色
本论文最大的特色之处在于，评估了不同空间尺度范围内随机性因素和确定性因素对于农田土壤微生物群落变化的影响。
随意过程和确定过程
确定性过程：在任何一个可能的生境中，细菌种均可以通过竞争的整理得以存活，其极端的情况为，在任何一个合适的生境中，每一个细菌种的存在都是可预测的，代表细菌群落结构由环境特定的选择性压力决定。
确定性过程包括：非生物环境因素的选择以及物种间的共生和拮抗相互作用。
随机性过程：多种细菌种存在与类似的或者重叠的生境中，但是并不能通过细菌种间的竞争去除某一些细菌种，在这种情况下，细菌种的相对丰度变化是由于种群中偶然的波动导致的。随机性过程还包括由过去的造成了种群明显非选择性改变的干扰事件，其伴随着难以预测的离异事件，从而导致细菌种的丰度很难被预测。在极端的随机性过程中，细菌种经常在一个其可能以高丰度存在的环境中消失。
随机性过程包括：不可预测的干扰、概率扩散和随机的出生死亡事件。
分析技术流程
首先应评估重复样品组内是否过度分散，如果组内没有过度分散则表示分组合理，可以进行后续的随机因素和确定因素相对重要性分析。
MNTD (mean nearest taxon distance) 是一个样品中每一个OTU于其最近亲属OTU之间系统发育距离的丰度加权。
NTI为样品观测MNTD与完全随机的系统发育群落组成null model MNTD平均值差值处以null model NMTD的标准偏差。
对于一组样品，其平均NTI值大于0表示其样品组内聚类，其平均NTI值小于0表示组内样品存在过度分散。
通过建立一个完全随机的系统发育群落组成null modle，比较样品群落与null model的偏差，评估随机因素和确定因素的影响强度。
βMNTD为两个样品间的mean nearsest taxon distance，根据上一步计算得到的样品MNTD计算不同样品间的βMNTD，进而利用与NTI计算一致的方法得到不同样品间的βNTI。
所有样品间βNTI的中位数在-2~2之间，说明随机因素主导微生物群落结构的变化，βNTI的中位数大于2或小于-2，说明确定因素主导微生物群落结构的变化。
所有样品中，βNTI在-2~2之间的数目与大于2或小于-2的数目的比值为随机因素对细菌群落结构变化贡献的百分比，反之为确定因素对细菌群落结构变化贡献的百分比。
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