EM不同气候条件下土壤稀有与丰富微生物类群的分化策略

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题目：不同气候条件下土壤稀有与丰富微生物类群的分化策略

期刊：Environmental Microbiology （2020）

三年均IF：5.2

通讯作者：梁玉婷 & 孙波

Yuting Liang, Xian Xiao, Erin E. Nuccio, Mengting Yuan, Na Zhang, Kai Xue, Frederick M. Cohan, Jizhong Zhou & Bo Sun. Differentiation strategies of soil rare and abundant microbial taxa in response to changing climatic regimes. Environ. Microbiol. 22, 1327-1340, doi:10.1111/1462-2920.14945 (2020).

https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1462-2920.14945

视频摘要

摘要

      尽管土壤微生物，特别是最多样的稀有类群在维持群落多样性和多功能性方面发挥着重要作用，但不同的气候条件如何改变稀有微生物生物圈的稳定性和功能仍不清楚。为了模拟气候变化，我们在纬度梯度上相互移栽农田土壤，并在随后的6年（2005年至2011年）收获玉米后每年对土壤进行采样。通过对微生物16S核糖体RNA基因扩增子的测序，我们发现气候变化显著地改变了土壤微生物群落的组成和动态。观察到稀有和丰富群落的连续演替。在变化的气候条件下，稀有微生物群落更加稳定，时间动态变化较小，多样性的稳定性和持续性较高。在稀有类群中检测到的氮循环基因多于丰富类群，包括amoA、napA、nifH、nirK、nirS、norB和nrfA。随机森林分析（RF）和观测操作特性分析（ROC曲线）。表明，在气候变化条件下，稀有类群可能是玉米产量的潜在贡献者。研究表明，在分类学和功能多样性方面，稀有生物圈有可能增加功能冗余，增强土壤群落抵御环境干扰的能力。随着全球气候的不断变化，探索稀有类群的演替过程和功能变化，对于阐明微生物群落介导的生态系统稳定性和多功能性具有重要意义。

背景

      1. 稀有和丰富的分类群在多样性和群落组成方面可能对扰动做出不平等的反应，因为随机过程在影响稀有群落装配方面更为明显。两组的不同反应可能导致维持群落功能的潜在不同作用。然而，在不同的气候条件下，稀有和丰富类群的演替和功能变化以及与地上植物的潜在联系仍然是未知的。

      2. 先前的研究所示，稀有和丰富的微生物生态圈具有明显的生态特征（如群落聚集的潜在生态过程），我们假设，气候条件的变化将在不同程度上影响稀有和丰富土壤微生物群落的多样性和组成。鉴于稀有群落具有较高的分类广度和较低的活动损失率（病毒裂解或捕食），我们认为相对于丰富的类群，稀有微生物多样性和群落组成对气候变化更为稳定。由于稀有微生物生物圈中存在着巨大的系统发育类型，因此在稀有群落中可以预测更多的功能多样性，例如氮（N）循环功能基因，它们也会根据群落组成的变化对气候变化做出不同的反应。在这里，我们对比了稀有和丰富的微生物多样性、组成和氮循环功能对气候变化的响应，以及稀有分类群的更高稳定性。同时，与具有较高分类和功能多样性的普通类群相比，稀有类群对整个群落功能的贡献可能不成比例。

实验设计

1. 大田原位与土壤交互移栽试验

图1A：基于2005年在冷温带季风气候、暖温带季风气候和亚热带季风气候三个地理气候区建立的土壤互惠移植试验（SRTE）的农业生态系统示意图。

      从三个试验站的本地区获得三种典型的农业土壤：黑土、初育土和酸性土，并根据1.2×1.4×1.0 m的地块大小，一式三份进行相互移植（图1A）。2006年，三个地点都种植了玉米。玉米每年播种收获一次。2006-2011年8-9月共采集162份土壤样品，一式三份。此外，2005年还收集了运往各个地点的原始土壤样本。然后将土壤分成两个样本，分别存放在4℃测理化与-80℃用于微生物群落分析。测定了土壤pH值和有机质含量。从实验站的气象观测数据库中获得MAT和MAP数据。收获后立即测定地上玉米生物量、粒重、茎和籽粒中的养分。

2.16srRNA基因扩增子的序列分析+Geochip分析（Zhou）

3.为描述稀有和丰富群落对气候变化的响应，我们根据最近的研究将所有OTU分为六类：AAT，所有样品中的相对丰度≥1%；CAT，所有样品中的相对丰度≥0.01%，部分样品中的相对丰度≥1%；ART，相对丰度<0.01%，CRT，相对丰度<0.01%，但不大于1%，MT，相对丰度介于0.01%和1%之间，条件稀有和丰富，相对丰度介于稀有（<0.01%）和丰富（>1%）之间。为了比较丰富和稀有分类群，AAT和CAT统称为丰富分类群，ART和CAT统称为稀有分类群。根据在属级测序和Geochip分析数据的分类注释，对稀有或丰富分类群携带的N循环基因进行了匹配。

4.具体计算衡量公式与数据分析见原文。（文章重点）

主要结果

1. 不同气候条件下植物和土壤微生物多样性的变化

图1：2006-2011年，（B）玉米产量和（C）微生物香农多样性与气候变暖和降温的总体一致性，以及2年持续时间的一致性（2006-2007、2007-2008、2008-2009、2009-2010和2010-2011）。不同的小写字母表示不同处理之间的显著差异，p<0.05。

      通过测定玉米种子重量变异系数的倒数来评价气候变暖和降温条件下玉米产量的时间稳定性，一般来说，6年期（2006-2011年）玉米与两年间（2006-2007，2007-2008、2008-2009、2009-2010和2010-2011）产量不变值在气候变冷的时候比在变暖的时候高，这表明随着气候变冷，尤其是在土壤移植后期（2010-2011），玉米产量更加稳定。在6年的土壤移栽过程中，在气候变暖和降温条件下，微生物多样性和氮循环基因丰富度的恒定性没有显著差异。

2. 气候变化条件下稀有与丰富类群的演替

   根据相似率（SIMPER）分析，稀有类群对气候变暖和降温引起的微生物群落总体差异的贡献大于丰富类群（表2）。

图2：a土壤移植模拟气候变化条件下稀有丰富微生物类群结构的变化，用抗性指数（B）和稳定性指数（C）评估稀有和丰富微生物群落的稳定性。微生物多样性和丰度恒定性对玉米产量恒定性（D）的ROC曲线。NMDS排序基于Bray-Curtis距离。从暗到亮的颜色表示从2005年到2011年的时间动态。Southward 1和Southward 2分别为移栽到封丘和鹰潭（气候变暖）的黑土；northward1和 northward2分别为移栽到封丘和海轮（气候降温）的酸土。Northward和Southward表明初育土分别移栽于海轮（气候降温）和鹰潭（气候变暖）。圆圈始终代表原位土壤；三角形和正方形代表黑土/酸性土中的冷却/升温；对于初育土，三角形代表冷却，正方形代表升温。具有不同小写字母的方框表示不同处理之间的显著差异，p<0.05。AUC，曲线下面积。

      通过计算移栽条件下与原位条件下抗性微生物α-多样性（Shannon指数）的比较。定量评估了在气候变化条件下稀有和丰富分类群的稳定性（图2B）。结果表明，土壤微生物群落中的稀有类群在增温和降温条件下均比丰富类群更能抵抗气候变化（n=42，F182=28.17，p<0.001）。稀有类群对气候变暖和降温的平均抗性比分别为0.96和0.95，而丰富类群的平均抗性比分别为0.80和0.83。通过评估群落在不同尺度气候条件下的稳定性，进一步检验了稀有和丰富微生物群落的稳定性(图2c）。（ROC）曲线证实，在预测玉米产量稳定时，加入稀有微生物多样性（AUC=0.66）或丰度（AUC=0.51）比加入丰富微生物多样性（AUC=0.46）或丰度（AUC=0.40）更能提高模型的特异性和敏感性（图2D）。这些结果表明，在气候变化的情况下，稀有分类群在调节作物产量方面具有潜在的重要性。

3.气候和土壤属性对稀有与丰富类群微生物多样性的直接和间接影响

图3：结构方程模型（SEM）揭示了气候和土壤属性对气候变暖A和B降温条件下稀有与丰富类群微生物多样性的直接和间接影响。红色和黑色箭头分别表示正路径系数和负路径系数。虚线箭头表示非显著路径（p>0.05）。路径宽度与路径系数成比例缩放。箭头旁边的数字是重要的标准化路径系数。标准化的总效应条形图（直接和间接效应）来自图。MAT，年平均气温；MAP，年平均降水量；SOM，土壤有机质；R，稀有；A，丰富。

    利用结构方程模型（SEM）研究了年平均温度（MAT）、年平均降水量（MAP）和土壤属性（pH和SOM）对稀有和丰富类群土壤微生物多样性的直接和间接影响。最终的模型同时适用于升温（图3A）和降温（图3B）数据集（n=91）。在气候变暖的背景下，MAP对稀有和丰富的微生物多样性（稀有类群，r=-0.66，p<0.001；丰富类群，r=-0.51，p<0.001）都有显著的直接负面影响。MAT对丰富的微生物多样性也有显著的负面影响（r=-0.36，p<0.05）。根据标准化的总效应，在暖化气候条件下，MAP的变化是直接和负面影响稀有和丰富类群微生物多样性的主要因素。在气候降温方面，MAT和MAP对稀有微生物多样性有显著的直接影响（MAT:r=0.92，p<0.001；MAP:r=-0.52，p<0.001）。然而，在土壤属性和稀有微生物多样性之间没有明显的联系。除了有机质的直接正效应（r=0.25，p<0.05）外，气候和土壤属性对丰富的微生物多样性的预测都很差。根据标准化的总效应，MAT和MAP都是影响低温下稀有微生物多样性的重要因素，显示MAT的正效应和MAP的负效应。

4.气候变化条件下微生物氮素转化

图4：氮循环基因的变化。（A）稀有和（B）丰富类群在氮循环中所携带的功能基因数随气候变化而显著变化。氮循环基因包括nifH（固氮酶还原酶）、amoA（氨单加氧酶）、hao（羟酸氧化酶）、narG（硝酸还原酶亚基α）、nirK/S、Nir（亚硝酸盐还原酶）、norB（一氧化氮还原酶）、nosZ（一氧化氮还原酶）、napA/nasA（硝酸还原酶）和nrfA（c型细胞色素亚硝酸盐还原酶）。

       土壤氮素循环与植物生长密切相关。为了进一步了解气候变化条件下微生物氮转化，通过在属水平上匹配测序和地球化学数据的分类注释，研究了稀有和丰富分类群所携带的与氮循环有关的关键功能基因的变化。稀有类群的N功能多样性高于丰富类群。一些氮循环基因，包括amoA、napA、nifH、nirK、nirS、norB和nrfA，仅在稀有类群中检测到。气候变化显著降低了稀有类群携带的几个功能基因，特别是反硝化过程（narG、nirS/K和nosZ）和异化氮还原（napA）的功能基因（p<0.05）。玉米是一种有利于使用硝酸盐营养源的作物。因此，减少稀有类群携带的反硝化基因可能有利于植物生长，减少氮素流失。此外，寒冷的气候条件也导致稀有和丰富类群的氨化功能过程显著减少。

5.将稀有和丰富的微生物类群与潜在的群落功能联系起来

图5:丰富和稀有分类群相对丰度对地上产量的平均预测重要性。A、 C.气候变暖；B，D气候变冷。基于随机森林分析计算贡献率（增加的均方误差百分比）。AAT，总是丰富的分类单元；CAT，条件丰富的分类单元；ART，总是稀有的分类单元；CRT，条件稀有的分类单元；MT，中等的分类单元；CRAT，条件稀有和丰富的分类单元。A、 丰富的分类群；R，稀有的分类群。浅灰色代表丰富的分类群，深灰色代表稀有的分类群。

        随机森林模型被用来预测具有稀有和丰富分类群的作物产量；在该模型中，通过将变量从模型中移除并量化模型的均方误差（MSE）随后的增加来确定变量的重要性（图5A和B）。我们的结果表明，在气候变冷条件下，微生物群落对作物产量的影响可能比增温条件下更为重要，分别占45.7%和12.3%（p=0.01）。有趣的是，尽管相对丰度较低，但ART和CRT对作物产量的贡献大于丰富的类群。值得注意的是，在气候变冷的条件下，稀有类群对作物产量的影响可能更大，去除ART和CRT后，MSE在预测作物产量方面提高了30.5%。酸杆菌（10.9%）和拟杆菌（8.0%）的稀有类群可能对气候寒冷下的作物贡献最大（图5D）。此外，还发现了一些丰富的类群对玉米产量有潜在的影响，如在升温条件下丰富的放线菌（13.4%）和在降温条件下丰富的疣微菌（10.9%）（图5C和D）。

结论

         我们的结果表明，随着时间的推移，改变气候条件可以导致稀有和丰富群落的连续演替，但稀有类群在微生物多样性和群落组成方面通常更加稳定，因为它们的丰度较低，可以通过病毒裂解和捕食来防止活性损失。此外，稀有微生物可能代表微生物群落的隐藏骨干，因为稀有生物圈在分类和功能上是多样的，这有可能增加功能冗余，增强土壤群落抵御环境干扰的能力。稀有微生物群落作为遗传多样性和功能多样性的大水库，对群落的稳定性和功能具有潜在的重要意义，它与生态系统适应气候变化的可持续发展密切相关。

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