【LorMe成果】 网络分析和后续培养共同揭示参与秸秆降解的关键微生物类群
植物残体在土壤中的降解过程受定殖在其表面的细菌和真菌等微生物影响，探究细菌和真菌群落的演替有助于人们深入了解秸秆降解过程的动力学特征。以往对微生物群落的研究主要集中在微宇宙系统、异地条件或单一土壤生态系统中，本文在同一地区三个不同土地利用方式的地点（林地、农田、废弃农田）进行了12周的原位降解试验，通过微生物群落网络分析和后续培养探究不同土地利用方式下，木质纤维素降解相关酶活和微生物群落的动态变化及其与秸秆降解的相关性。
随着时间的推移，土地利用方式对秸秆降解有明显影响。其中林地的秸秆降解率最高，而废弃农田的秸秆降解率最低（图1a）。秸秆组成变化也受土地利用方式影响，林地中的纤维素（图1b）、半纤维素（图1c）和木质素（图1d）含量在秸秆降解的初期或后期时期显著低于农田和废弃农田，说明秸秆在林地中具有更高程度的降解。
图1 不同土地利用方式下秸秆降解率及其组分变化
林地不仅具有较高的秸秆降解能力，4种木质纤维素降解酶活性（纤维素二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶、β-木聚糖酶和漆酶）均显著高于农田和废弃农田（图a-d）。将四种酶活性汇总为总酶指数（Z-score），在三种土地利用方式中均观察到木质纤维素降解酶活性和秸秆降解之间具有正相关关系（图2e），这也解释了为何林地中秸秆降解最快。
图2 不同土地利用方式下纤维二糖水解酶（a）、β-葡萄糖苷酶（b）、β-木聚糖酶（c）和漆酶（d）的变化。不同土地利用方式下总酶（四种木质纤维素降解酶活性的集合）Z-score与秸秆降解之间的相关性(e)。
结果二：林地具有更高的微生物多样性
在秸秆降解过程中，森林土壤中的Proteobacteria、Bacteroidetes和Ascomycota等营养型菌群增加，而Actinobacteria和Acidobacteria等寡营养型菌门减少（图3g和h）。这表明在降解过程中基于资源获取和营养状况的微生物模式发生了变化。
图3 不同土地利用方式下细菌和真菌的总体丰度（a-b）、多样性（c-d）、群落结构（e-f）和分类组成（g-h）的变化。
结果三：林地具有较为简单但更专业化的微生物网络
为深入探究秸秆降解过程中微生物群落内部的互作关系，我们将网络分析中degree和closeness centrality参数进行均一化求和（Z-score），并选择Z-score前20个的OTU作为每种土地利用方式土壤中的关键类群（共60个OTU）。结果发现，三种土地利用方式下网络结构的差异很大。例如，与农田和废弃农田相比，林地土壤中微生物群落的网络复杂度较低，节点/边数较少，平均度较低，平均聚类系数较低（图4a和b）。
为验证经网络分析确定的关键类群功能，我们将培养结果与网络分析结果进行匹配，确定了5个可培养菌株：林地中的TU3451（Penicillium sp. ZJ-F2）和TU3409（Fusarium sp. ZJ-F3）、农田中的OTU10384（Chryseobacterium sp. QL-B4）和TU84（Aspergillus aculeatus QL-F3）、废弃农田中的TU1317（Aspergillus sp. BG-F2）（图4b）。
图4 不同土地利用方式下共生细菌和真菌OTU网络（a）、共生网络参数与关键物种（b）。
结果四：后续培养验证潜在关键物种的降解能力
后续对上述5个菌株的降解秸秆能力进行了评估。来自林地的菌株ZJ-F2对秸秆的降解能力明显高于来自其他两个地点的菌株（图5a）。另一株菌株ZJ-F3对秸秆的降解能力与菌株BG-F2相似，而其降解效果优于菌株QL-B4和菌株QL-F3（图5a）。对秸秆降解效果最好的菌株ZJ-F2显示出最高的总酶Z指数（图5b）。此外，秸秆的降解率与总酶指数的正相关进一步验证了秸秆降解与关键类群之间的联系（图5c）。以上结果表明，林地中具有降解秸秆能力较强的关键微生物。
图5 潜在关键物种与秸秆液体发酵降解7天后的秸秆降解（a）、总酶指数（b）、秸秆降解率与木质纤维素降解酶活性之间的线性回归（c）。
以上结果表明在秸秆降解过程中，木质纤维素降解酶活性、微生物群落结构和共生模式受土地利用类型驱动。林地中秸秆降解效率更高的原因是木质纤维素降解酶活性较高、微生物多样性更高以及微生物网络更专业化，并具有一些参与降解的关键微生物类群。
全文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071721001024