科研 | Environ. Int.：土壤细菌多样性与植物生产力之间的联系
编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
土壤微生物群落在驱动维持植物生产力的多种生态系统功能和过程方面起着重要的作用。然而，关于土壤微生物多样性和植物生产力之间联系的证据还不够，这阻碍了在全球环境变化的背景下预测微生物多样性丢失对食物安全的影响。
本研究在温室中采用稀释-消光法研究了土壤微生物多样性丢失对地上植物生物量的影响。与原始土壤相比，连续稀释接种处理的土壤的细菌alpha多样性显著降低。主坐标分析的结果表明对照处理中与处理组的细菌群落组成（beta多样性）能被显著的区分开。原始土壤中收获的地上生菜生物量显著高于灭菌接种的土壤中的，无论接种量是多少。普通最小二乘法回归模型显示植物生物量与细菌alpha多样性呈现显著的线性关系，表明土壤微生物多样性的降低会导致生菜生物量的显著下降。
本研究中没有观测到植物生物量和土壤过程之间例如土壤基础呼吸和反硝化速率存在显著的相关关系。结构方程模型的结果表明，在同时考虑其他驱动因子（土壤属性和生物过程）时土壤微生物多样性对植物生物量的影响仍然存在。本研究提供了土壤微生物多样性对维持植物生产力方面的重要实验证据，并且指出土壤微生物群落功能的冗余可能被高估，尤其是在农业生态系统中。
论文ID
原名：Soil bacterial taxonomic diversity is critical to maintaining the plant productivity
译名：土壤细菌分类学多样性对于维持植物生产力是关键的
期刊：Environment International
IF：7.943
发表时间：2020.4
通信作者：Hang-Wei Hu
通信作者单位：墨尔本大学
实验设计
原始的土壤接种悬浊液是通过将20克未灭菌的土壤与100毫升经过紫外灭菌得到的无菌水混合得到。接种液的连续稀释是从原始的悬浊液中产生。本研究通过在微观结构中添加系列稀释接种物，创建了五个多样性水平的梯度：包括原始土壤（OS），没有接种物的灭菌土壤（SS），D2（每克灭菌的土壤接种10-2克接种物，通过对原悬浊液稀释102倍后添加50毫升实现），D4（每克灭菌的土壤接种10-4克接种物，通过对原悬浊液稀释104倍后添加50毫升实现）和D8（每克灭菌的土壤接种10-8克接种物，通过对原悬浊液稀释108倍后添加50毫升实现）。每个塑料盆包含3千克土壤，每个处理12个重复（一共60个盆）。本研究中选择了一种生菜，是一种常见的蔬菜。生菜的种子在潮湿的珍珠岩中发芽生长7天，然后移栽到每个指定的花盆中。所有的花盆根据随机区组设计放置在拥有自然光照和湿度的温室中，白天的温度为25±2℃，夜晚的温度为20±2℃。土壤含水量调到70%的田间持水能力，通过每隔两天添加去离子水维持。60天后对生菜进行收获，在每个稀释处理中至少有6个健康的植物体并采集土壤样品。在采集土壤之前，对每个盆里的土壤进行充分混合。由于生菜是叶状的蔬菜，只有地上部分是可食用的，所以在每个盆中只测量了地上植物生物量。
针对采集的土壤进行了一系列指标的测定，具体包括：土壤可溶性有机碳（DOC）和氮（DON）、土壤酶活性（β-葡萄糖苷酶，L-亮氨酸氨基肽酶和磷酸酶，分别代表潜在的碳氮磷循环活性）、土壤基础呼吸（SBR）、潜在的氨氧化（PAO）和反硝化。与此同时进行了DNA的提取和高通量测序分析。
结果
1 稀释度对土壤细菌多样性和群落组成的影响
本研究使用了16S rRNA基因高通量测序评估了稀释处理对细菌多样性和细菌群群落组成的影响。相对于原始土壤，D2，D4和D6稀释处理显著降低了土壤中的细菌alpha多样性（图1a,b）。主坐标分析的结果表明在原始土壤中（OS）的细菌群落组成与D2，D4，D8和SS处理中的能清楚地被分开（图1c）,多元置换方程分析的结果表明在统计上也显著（p < 0.01）。通过LEFSe分析鉴定了显著富集的细菌类群。5个处理共有107个细菌类群差异富集（α < 0.01，LDA评分 > 2.0）。为了更好地显示细菌群落的变化，LDA显示在cladograms中（图1d）。例如Firmicutes和Actinobacteria的相对丰度在原始土壤中显著高于其它处理中的。在D2和D4处理中Bacteroidetes和Alpha-Proteobacteria的丰度显著增加。Rhizobiaceae和Brucellaceae的丰度在D2处理中显著高于原始土壤和其它处理中的（图S1）。
2 稀释度对植物生物量，土壤属性和酶活性的影响
从原始土壤中收获的生菜生物量显著高于接种任何接种量的灭菌土壤中的（图2）。植物生物量在D2，D4，D8和SS之间没有显著的差异（p = 0.485）。对于土壤基础呼吸以及反硝化速率处理之间也没有显著差异。潜在的氨氧化速率在D2处理中显著高于其它处理（p < 0.001）。相对于原始土壤，D2和D4处理显著增加了β-葡萄糖苷酶和L-亮氨酸氨基肽酶的活性。对于磷酸酶处理之间没有显著差异（图S2）。
图2 稀释度对植物生物量的影响
3 普通最小二乘法（OLS）回归分析
OLS回归模型的结果表明植物生物量和细菌alpha多样性（OTU丰富度和Shannon指数）呈现显著的线性相关关系（图3）。此外，植物生物量与Firmicutes以及Actinobacteria的丰度正相关，但是与Bacteroidetes以及Alpha-proteobacteria的丰度负相关（图S3）。植物生物量与土壤过程、潜在的氨氧化能力、酶活（L-亮氨酸氨基肽酶和磷酸酶）没有显著的相关关系（图S4）。植物生物量与DOC、DON以及β-葡萄糖苷酶的活性负相关。
4 植物生物量改变的多种驱动因子
本研究使用随机森林模型确定生菜生物量最重要的预测因子，使用结构方程模型检验当同时考虑多重因子时细菌多样性和植物生物量之间的关系是否能继续维持。随机森林模型的结果表明细菌多样性和稀释处理是最重要的预测因子，其次是酶的活性、土壤可溶性有机质以及土壤过程（图4A）。结构方程模型解释了植物生物量70%的方差。结构方程模型的结果表明，稀释处理会直接影响植物生物量，也会通过影响细菌多样性、土壤酶活性、土壤过程间接影响植物生物量。总而言之，考虑其它变量的直接和间接影响之后，本研究发现细菌多样性对植物生物量有直接的正效应（图4B）。
图4 随机森林模型揭示植物生物量重要的预测因子（A）；结构方程模型展示了这些预测因子对植物生物量直接和间接的效应（B）
讨论
在本研究中，采用土壤微生物系列悬浮液接种无菌土壤的方法获得可操作的土壤微生物多样性。之前的一些研究已经证明该方法可以有效的调控土壤微生物群落，从而获得呈梯度变化的微生物群落丰富度和多样性。本研究的结果表明，未灭菌的原始土壤中的细菌多样性显著高于接种稀释的接种液的灭菌土壤中的。与之前的研究一致，稀释程度与微生物多样性的减少程度并不相称。本研究发现，在收获的时候，D2和D4处理下的OTU数目类似，这可能部分是由于根系分泌物的影响。已经有研究表明，根系分泌物与根际其它植物和微生物之间存在着一系列的非生物和生物的相互作用（Bais et al. 2006），本研究中接种的群落可能已经达到一个新的平衡，造成了不同稀释处理之间的差异不明显。
微生物群落的聚集是一个受多种因子影响的复杂过程，除了优先效应（一些物种的定殖会影响后续其它物种的定殖），随机的和确定的因子在聚集过程中都起着重要的作用。有研究表明，一些物种的随机去除以及较低的种间竞争会导致稀释处理后微生物在土壤中再定殖的随机性增加（Lekberg et al. 2012）。然而，在本研究中随着稀释处理的不同细菌beta多样性也不相同（表S1）。重复样本之间相对强的聚类也表明微生物群落的可重复组合，也进一步表明细菌群落的聚集是通过确定的过程而不是随机的过程（Calderón et al.,2017）。
植物的生长状态在很大程度上取决于土壤微生物多样性对养分的吸收以及对逆境的抵抗（Bakker et al. 2018）。根际微生物群可以通过建立抗病土壤来帮助植物抵制传染病（Berendsen et al.2012）。很少有研究探究土壤微生物多样性和植物生产力之间的关系。在本研究中，没有灭菌的原始土壤中的植物生物量较灭菌的接种不同稀释程度悬浊液的土壤中的更高。本研究发现，细菌多样性和植物生物量之间存在显著的正向相关关系。更重要的是，在控制其它因子（土壤酶活和可溶性有机质）后，这种关系依旧成立。之前关于土壤细菌多样性与功能基因多样性或者丰度之间关系的研究也强调多样性引发的不可逆转的细菌聚集限制了对植物生长和生产力很重要的碳氮循环相关的群落功能（Xun et al. 2019）。在最近几十年不断增加的证据表明人类活动和气候变化造成了土壤微生物多样性的减少，这会直接影响植物生产力。因此，避免和减轻土壤微生物多样性的损失对于维持土壤遗产是重要的。
在土壤微生物中功能冗余被认为是普遍存在的现象，这表明物种重叠能够为生物多样性丧失提供一些冗余和缓冲生态系统功能。的确，本研究也发现细菌多样性的丢失对一些土壤功能没有明显的影响，例如土壤基础呼吸和磷酸酶活性。然而，受较窄范围的功能微生物调节的氨氧化过程对多样性的丢失很敏感，因为本研究发现潜在的氨氧化能力对于稀释处理后物种的减少表现为负的响应。之前的研究也表明土壤微生物多样性的丢失会导致特殊功能的能力的显著降低，例如杀虫剂矿化能力。反硝化被认为是指示微生物多样性丢失的敏感指标。然而在本研究中细菌物种的去除对土壤反硝化没有显著影响。土壤类型、土壤pH等可能可以解释这些实验带来的不同结果。此外，资源水平对微生物多样性-功能之间的关系起着重要作用，更高的资源利用效率会改变物种丧失对生态系统功能的影响（Philippot et al.2013）。
你可能还喜欢