Microbiome：空间尺度对华北平原麦田土壤细菌群落的影响(南土所褚海燕组)

本文由殷继忠编译，董小橙、江舜尧编辑，转载自"微生太"。

导读

该篇论文探究了空间尺度上随机性和决定性对小麦田的影响，详细研究后期望能够减少种植过程的干扰条件，进一步对华北平原（NCP）的各种土壤和气候进行研究。在243个位点进行了采样，并使用MiSeq对16S rRNA细菌基因进行测序。作者假设决定性将在较广范围内发挥的相对作用更强，为检验假设的普遍适用性，对青藏高原上的自然生态系统进行了进一步比较。

论文ID

原名：Spatial scale affects the relative role of stochasticity versus determinism in soil bacterial communities in wheat fields across the North China Plain

译名：空间尺度对华北平原麦田土壤细菌群落的影响

期刊：Microbiome

IF：9.133

发表时间：2018年

通信作者：Yu Shi 

通信作者单位：中国科学院土壤科学研究所

实验设计      

NCP被选为研究区域，这是亚洲最重要的粮食产区，占中国谷物总产量的50％以上。作者使用Illumina Miseq平台，在种植周期上对整个NCP的243个小麦-玉米轮作土壤进行了调查。为了解耕地和自然生态系统之间决定性和随机性的相对作用差异，选择青藏高原土壤进行比较研究，从而了解耕地和自然系统间随机性与决定性的相互作用差异。

实验内容

1. 华北平原土壤细菌群落组成

基于Illumina新一代测序技术，从NCP的小麦-玉米轮作系统中获得了15184073个质量序列，并鉴定了75179个可操作的分类单元，主要是细菌和一些古细菌。放线菌、α-变形菌、酸杆菌、γ-变形菌、β-变形菌和绿弯菌门占据优势地位，占总序列的75％以上。δ变形菌纲、芽单胞菌门、浮霉菌门、拟杆菌和固氮菌等在土样中普遍存在。

2. 决定性过程控制了华北平原的群落结构

在所有样本中，作者发现使用模型计算后的MNTD标准化效应大小值是负的，表明样本中的细菌群落受到生态位的影响较大。此外，根据实验数据进行拟合度分析，以研究哪些过程对细菌群落结构的形成具有重要意义。结果表明，Mandlebrot模型最适合NCP的土壤数据，这与MNTD分析结果一致，并表明局部尺度的主要驱动过程符合生态位理论。

3. 决定性和随机性在控制不同空间尺度的群落动态方面的不同作用

作者发现土壤细菌群落的空间距离越大，环境差异就越大。随机过程在1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11和13等级上占主导地位（表1;图1）。这表明，决定性过程在青藏高原上贡献度超过50％，而在华北高原，决定性过程仅在大尺度上占主导地位。

表1 不同空间尺度中βNTI值的变化及华北平原每个空间尺度中确定性和随机过程的相对贡献率（％）

图1 华北平原空间尺度分组的βNTI值散布图

4. 华北平原土壤细菌群落分布的决定因素

使用基于Bray-Curtis异质性的非度量多维比例图表示NCP中小麦土壤的细菌群落组成（图2）。排序图清楚地表明NCP上的土壤细菌群落组成受土壤pH值梯度分布影响（图3）。除土壤pH值外，还有其他土壤因子，如镁、钙、全磷、全钾、锰、砷、钾、镉、锌、有效磷和铁也显示出与土壤细菌群落的显着关系。有机碳等因素与细菌多样性呈负相关。总之，这些结果强烈表明土壤pH值是控制整个NCP土壤细菌群落结构和多样性的关键因素。通过数据分析发现年平均降水量（MAP）和年平均温度（MAT）与土壤微生物群落组成呈显着相关性。

图2 华北平原小麦土壤中的细菌群落组成结构

图3 华北平原土壤pH值与细菌系统发育多样性的关系

5. 环境与空间对华北平原土壤微生物群落变化的影响

未降水土壤微生物数据变异的23.9％可以通过环境因子解释。此外，6.6％可归因于环境变量与空间参数之间的相互作用（图4），空间尺度和环境变量对土壤微生物群落结构产生强烈影响。但所有细菌数据的大部分变异无法通过模型参数或其间相互作用来解释。

图4 基于分析和PCNM空间尺度分析的环境和空间参数的影响

结 论

研究结果表明：（1）随机性在华北平原较为重要，而决定性在青藏高原上更为重要;（2）土壤pH值是影响华北平原土壤细菌群落结构的主要因素; （3）土壤微生物群落组成的大部分变化无法用现有的环境和空间因素来解释。进一步的研究来剖析随机因素对土壤微生物群落分布的影响，可能操纵微生物群落增加作物产量。

点 评

人类活动最终减少了授粉等生态系统活动，导致粮食产量下降。通过作者的研究结果让大家知道，农业土壤管理过程不仅需要关注土壤微生物的调节，还要关注空间尺度方面的影响，并在不同尺度上使用不同方法改善作物环境。

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