南京农业大学在土壤微生物群落结构稳定性维持机制方面取得新进展 | Microbiome
土壤微生物活动是驱动土壤生态系统物质循环和养分转化的重要因素，土壤生态系统服务功能的可持续性取决于土壤微生物组的稳定性。因此，土壤微生物群落的稳定性会影响土壤资源的可持续性利用。近年来，土壤微生物多样性损失对生态系统的威胁在国际上广受关注，微生物多样性与生态系统功能稳定性的相关研究成为热点。
近日，微生物学领域顶级期刊Microbiome 在线发表了南京农业大学资环学院土壤微生物与有机肥团队关于土壤微生物特殊性功能决定群落稳定性的最新研究成果（Specialized metabolic functions of keystone taxa sustain soil microbiome stability）。传统的群落稳定性评价主要基于抵抗力（Resistance）和回复力（Resilience）两个指标，该研究基于目前土壤微生物群落研究主要利用高通量测序并产生大量数据的情况，创新性提出并验证了一种新的评估微生物群落稳定性的平均变异度指数（Average Variation Degree, AVD），将群落稳定性指数化，该模型具有不受组内样本数量限制的优点。
研究发现，随土壤微生物多样性下降，群落平均变异度指数提高，稳定性降低。构建随机森林机器学习模型分析了微生物群落的功能基因组成，发现土壤“氮代谢”和“磷代谢”相关的功能基因是决定群落稳定性的最关键功能；同时，构建功能基因共现网络发现这些关键功能基因也是网络关键枢纽成员，这些枢纽功能基因随微生物多样性下降而减少，导致共现网络模块性降低，稳定性下降。进一步对“氮磷代谢”功能基因进行物种注释，发现所有细菌类群的相对丰度都随微生物多样性下降而降低，其中以硝化螺旋菌属（氮代谢）和芽单胞菌属（磷代谢）为代表的类群可能是维持土壤微生物群落稳定的核心成员。该研究提出土壤微生物的氮磷代谢的特殊性生态功能和相关细菌类群在维持微生物群落稳定中的重要作用，对破译土壤微生物多样性和系统生态功能之间的关系具有重要的指导意义，可以为未来调控土壤微生物组促进土壤生态功能的稳定发挥提供理论指导。
该研究由我国科研人员独立完成，南京农业大学资环学院荀卫兵副教授和中国农业科学院农业资源与农业区划研究所刘云鹏副研究员为论文共同第一作者，张瑞福教授为论文通讯作者，南京农业大学资环学院土壤微生物与有机肥团队研究生李维，钟山青年研究员任轶博士，团队沈其荣教授、熊武教授、徐志辉副教授和张楠副教授等也参与了该项研究。该研究同时得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国科协青年人才托举工程等项目的资助。
张瑞福教授课题组近年来围绕农田土壤微生物多样性以及根际微生物群落结构和功能装配方面开展了一系列研究工作，研究成果阐明了土壤微生物组结构和功能的主要驱动因素（Soil Biology and Biochemistry, 2015 & 2016; Environmental Microbiology, 2016; Microbiome, 2018），揭示了微生物组特殊性功能决定群落装配过程的新机制（Nature Communications, 2019），提出了作物根际微生物组结构装配的功能补偿机制（Soil Biology and Biochemistry, 2020）。
论文链接：
https://doi.org/10.1186/s40168-020-00985-9