科研 | Nature子刊：微生物多样性驱动陆地生态系统的多功能性
本文由熊志强编译，董小橙、江舜尧编辑。
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微生物群落对生态系统以及对人类的福利具有重要的意义，但在全球范围内，有关微生物多样性与生态系统功能多样性之间的关系仍有待评估。为了探究这种关系，作者采用了独立样本数据以及大尺度样本数据两组样本进行分析，发现土壤微生物多样性与陆地生态系统功能多样性之间表现出正相关关系。这一发现同时也提供了一种经验性证据，即微生物多样性的任何损失都可能使得土壤功能多样性的降低，同时微生物多样性的降低对气候调节、土壤肥力以及陆地生态系统粮食和纤维的生产等服务也会产生负面影响。
论文ID
原名：Microbial diversity drives multifunctionality in terrestrial ecosystems
译名：微生物多样性驱动陆地生态系统的多功能性
期刊：Nature Communications
IF：12.353
发表时间：2016年
通信作者：Manuel Delgado-Baquerizo
通信作者单位：Western Sydney University
实验内容
1 微生物多样性及生态功能多样性
通过测序分析，其中在旱地样本中共检测到166244个细菌OTUs序列和24249个真菌OTUs序列，在苏格兰地区共检测到49102个细菌OTUs序列。利用两个数据集的六个变量：潜在净氮矿化(N)、硝化、氨化、DNA浓度、有效磷(P)以及植物生产力，探究了微生物多样性与功能多样性之间的关系。通过分析发现土壤微生物多样性与两组样本功能多样性之间呈现出正相关关系（图1）。基于分析同样还发现了土壤微生物多样性与所测量的大多数个体功能之间也呈现出正相关关系。我们的结果提供了第一个经验证据，表明微生物多样性与全球范围内陆地生态系统的多功能正相关。同样可以验证一种猜想，即微生物多样性的丧失可能会降低陆地生态系统提供关键生态系统服务的能力。
图1 微生物多样性与生态系统功能多样性之间的关系。图a和b分别代表旱地细菌和真菌数据分析，图c代表苏格兰地区数据分析，图中实线和虚线分别表示最小二乘法模型拟合(OLS)和同步自回归模型拟合(SAR)分析。
2 功能多样性的多种驱动程序
基于随机森林模型和结构方程建模（SEM）探究了生态系统功能多样性的主要预测因素（包括距离赤道、海拔高度、年平均气温(MAT)、年平均降水量(MAP)、土壤pH和微生物多样性）。通过随机森林模型分析发现，微生物多样性与其他功能多样性预测指标一样重要或表现出更重要的作用（图2）。事实上，微生物多样性在两组样本中比MAT和海拔表现出更加重要的作用，在苏格兰样本中还表现出比MAP更重要的作用（图2b）。此外，将生态系统类型作为预测指标后，也发现了类似的结果（图SI 13-14）。通过分析发现，无论是同时直接考虑这些变量还是考虑间接影响，微生物多样性都是两组样本功能多样性的主要预测因素。
图2 生态系统多功能的主要预测因子。该图显示了环境驱动因素的随机森林平均预测值和生物多样性对旱地(a)和苏格兰(b)生态系统多功能的重要性。MAT代表年平均气温；MAP代表年平均降水量
图SI 13 环境驱动因子和微生物多样性对生态系统功能多样性预测的重要性。
图SI 14 苏格兰数据集中不同植被类型之间6个生态系统功能的平均值：可耕地(n=17)、改良草地(n=28)、半自然草地(n=32)、林地(n=29)、荒地(n=39)和沼泽(n=34)。
结构方程建模（SEM）分别解释了旱地和苏格兰地区53%和38%的生态功能多样性变异度（图3 a-b）。在这两组样本中，我们都发现微生物多样性对生态系统功能多样性表现出直接的正向影响关系。在旱地样本中，由于真菌更具有耐受能力，因此真菌多样性对功能多样性的总体正向效应略高于细菌多样性。不足为奇的是，气候和土壤pH值对功能多样性的影响在旱地和苏格兰数据集中遵循相反的趋势（图3 c-d），这与SEM构建的模型图所示结果相一致。这些结构可以证明微生物多样性在生态系统功能多样性中表现出重要的作用。
图3 空间、气候、土壤pH和微生物多样性对生态系统多功能的直接和间接影响。图中分别代表旱地(a，c)和苏格兰(b，d)样本的结构方程模型。图中连续和虚线箭头表示正和负的关系，箭头的宽度与路径系数的强度成正比。
微生物多样性可在多种方式中为功能多样性提供基础，例如，微生物群落进行重要的生态过程，如分解和养分循环，从而支持陆地生态系统中连接地上和地下群落的基本机制。为了支持这一观点，我们在以前报道中发现，由于植物丰富度对微生物多样性的积极影响，说明植物丰富度对旱地样本中功能多样性的积极影响可能是间接的（图4）。这一结果表明微生物驱动的土壤氮循环的增强通常与高植物多样性水平相关。高度多样化的植物群落可能通过支持多种凋落物来促进土壤微生物的多样性。更丰富的微生物多样性可以促进来自地上群落的凋落物的迅速分解，增加土壤有机质含量，促进土壤微生物群落的活动。同样，有机物需要从复杂的、难降解的聚合物中降解成更简单、更不稳定的单体，这一过程需要一系列微生物的谢通合作。在这个过程中，土壤养分被微生物释放并再次用于地上生态群落，满足重要的生态系统服务，例如食物和纤维生产。因此，微生物多样性虽然在很大程度上被忽视，但通过改变营养供应和资源分布来支持多功能，从而使陆地生态系统中的物质加工速度更高。
图4 空间、气候、土壤pH、植物丰富度和微生物多样性对全球旱地生态系统多功能的直接和间接影响。图中分别代表旱地(a，c)和苏格兰(b，d)样本的结构方程模型。图中连续和虚线箭头表示正和负的关。
实验结论
基于分析，我们的研究为微生物多样性对于维持陆地生态系统的功能多样性起到至关重要提供了强有力的经验证据，这与植物和动物的研究结果相类似。对于参与了解生物多样性模式、微生物和生态系统功能的科学家、决策者、教育工作者和组织来说，信息是明确的：人类活动和气候变化造成的微生物多样性损失将降低维持多种生态系统功能和服务的速度。通过为微生物多样性与功能多样性之间的关系提供证据，我们的发现并提出了生物多样性-生态系统在微生物群落中的功能关系等重要的生态学主题。这些发现强调有必要制定各种方法和政策，保护土壤微生物多样性不受土地利用、氮浓缩和气候变化等全球环境驱动因素的影响，以便为子孙后代保护陆地生态系统的功能多样性。
评 论
微生物群落在同时维持多种生态系统功能和服务方面发挥着关键作用，包括养分循环、初级生产、凋落物分解和气候调节等。为了探究微生物多样性与陆地生态系统功能多样性的关系，作者通过大尺度数据和独立样本数据，利用随机森林模型和结构方程建模等方法评价了微生物多样性在生态系统功能多样性的重要性关系，通过分析提出在生态学研究中不应忽略微生物多样性在生态系统中发挥的重要作用，在发展中因注重对微生物多样性保护以为后代提供更加多功能的生态环境。评价仅是小编的个人看法，欢迎大家一起进行讨论。