科研 | ISME：植物驱动全球干旱地区的氨氧化细菌和古菌的生态位分化
本文由萍水相逢编译，十九、江舜尧编辑。
原创微文，欢迎转发转载。
在受控的实验室条件下，可利用的氨浓度的高、低分别有利于土壤氨氧化细菌（AOB）和古细菌（AOA）的生长。然而，在陆地生态系统的田间条件下，这种生态位分化现象是否仍能维持还未可知，尤其是在全球范围内。我们假设：与缺乏多年生植被（即裸地）的开放区域相比，多年生植物能通过多种机制（包括增加土壤中氨的含量）促进AOB而非AOA群落的生长。为了验证这种生态位分化的假说，我们进行了一项全球实地调查，包括来自6大洲的80个干旱地区。数据支持我们的假设：即与在植物冠层之间的开放区域（裸地）相比，植物冠层下收集的土壤具有更高水平的氨，更高的AOB丰富度（末端限制性片段的数量; T-RF）和丰度（qPCR amoA基因），以及更低的AOA丰富度和丰度。可能是植物冠层下具有较高的有机质和有效氮导致植物冠层与AOA和AOB群落之间的这种关系。冠层下的土壤因阳光被遮挡形成的独特的小气候也可能为我们的结果提供有效的解释。总之，该研究结果为全球干旱地区AOA和AOB群落之间的生态位差异提供了有力证据，推动了我们对全球范围内生态和生物地理的理解。
论文ID
原名：Plant-driven niche differentiation of ammonia-oxidizing bacteria and archaea in global drylands
译名：植物驱动全球干旱地区的氨氧化细菌和古菌的生态位分化
期刊：ISME
IF：9.52
发表时间：2019
通信作者：Brajesh K. Singh；Manuel Delgado-Baquerizo
通信作者单位：西悉尼大学霍克斯伯里环境研究所
实验设计
1 实验设计和取样
于2006-2012年选取了全球6大洲12个国家的80个30×30的干旱样地进行取样。其中所有样地的植物覆盖率在2-74%之间，有13%的样地的植物的优势种为固氮植物样(主要是 Casuarina sp., Astragalus sp. 和Prosopis sp.)。每个样点分别在多年生的植被覆盖区和裸露区各取一个混合样(即随机选取10-15个表层土壤混合而成)。裸露区选择离植被覆盖区至少1m远的地方以减少植物根系的影响，用于分子分析的土壤于-20℃保存2-6年，而用于理化性质测定的土壤于-20℃保存0-4年。
2 分子分析
土壤微生物DNA用Powersoil® DNA Isolation Kit (MoBio Laboratories, Carlsbad, CA, USA)试剂盒提取。AOA和AOB的丰度分别用引物CrenamoA23f/CrenamoA616r and amoA-1F/amoA-2R进行扩增定量，而其群落结构和多样性则利用末端限制性长度多态性（T-RFLP）进行测定。用HpyCH4V 和MspI对分别AOA和AOB进行酶切。AOA和AOB的丰富度和物种相对丰度则通过酶切后的TRFs来计算
3 气候指数和人类干扰指数
干旱度通过利用全球干旱指数数据库进行建模评估http://www.cgiar-csi.org/data/global-aridity-and-pet-database。人类干扰指数则基于8个指标进行评估：分别是人口密度、距铁路的距离、距主路的距离、距可航行的河流的距离、距航海线的距离、距夜间稳定灯光的距离和土地利用（城镇用地，农业用地，森林，苔原和沙漠）
Fig. 1 研究位点
结果
1 植物冠层调节AOA和AOB的多样性和丰度
NMDS分析显示植被覆盖区和裸地的AOA和AOB的群落结构具有显著的差异性（图2 a, b）。优势的AOB限制性片段（TRFs）与β-变形杆菌门（β-proteobacteria）的亚硝化螺旋杆菌属（Nitrosospira）相关，而优势的AOA的TRFs则与Nitrososphaera 和Nitrosotalea属相关。
在植被覆盖区的AOA的基因丰度和丰富度明显比裸地的要低，而AOB则正好相反（图2c, d）。草地和灌丛覆盖区（这两种类型的植被超过本研究样点的91%）也出现同样的结果，即在草地和灌丛覆盖区的AOA的基因丰度和丰富度均明显低于裸地（附图3, 4）
Fig. 2 裸地和植被区的AOA和AOB群落组成、丰富度和基因丰度。
2 环境因子条件AOA和AOB群落的基因丰度和丰富度
与裸地相比，植物冠层区有更高的土壤C、氨和溶解性有机N含量和更高的C:N比，而两者的NO3-、无机P、电导率和pH则无显著差异。偏相关分析进一步证实植被覆盖与AOB的基因丰度和丰富度具有显著的正相关，而与AOA的呈显著负相关。氨、有机C和溶解性有机N (DON)与AOB的基因丰度和丰富度的正相关关系至少能部分解释植被与AOB的正相关关系（图3；表1）。同样，DON与AOA的基因丰度的负相关关系能解释为何在植被覆盖区AOA具有更低的基因丰度。通过偏相关分析表明，AOA和AOB的丰富度、AOA的基因丰度和AOB的丰富度之间具有显著的负相关。
同样，我们也发现AOA和AOB的群落与其他环境因子也具有显著的相关关系，例如，土壤pH和年均温与AOA 的基因丰度和丰富度具有显著的负相关，而季节性温度与AOA 的基因丰度和丰富度具有显著的正相关，而AOB基因丰度则相反。人类干扰指数与AOB的基因丰度具有显著的正相关。
讨论
我们的结果为AOA和AOB群落在全球干旱地存在生态位分化现象提供了一个新证据，即由多年生植物驱动两者的生态位分化。该结果与共生营养-寡生营养二分法（copiotroph–oligotroph dichotomy）的生态理论抑制。正如假设所述，植被促进了硝化细菌的生长，同时抑制了硝化古菌的生长。具体来说，植物冠层促进了AOB的多样性和丰度，而在裸地中，寡营养型的AOA的基因丰度和丰富度显著增加。不管用什么方法学（qPCR和T-RFLP;见附录S1中的补充分析;图S2）或在何种植被类型（草本和灌木；图S3和S4）都得到同样的结果。此外，AOA / AOB群落的NMDS排序显示来自裸地和植物冠层的样本之间存在明显的分离。我们的研究结果表明，由植物诱导的小规模异质性，而不是环境条件的大规模变化，在很大程度上调节了全球干旱地硝化细菌和古菌群落的多样性，丰度和共生网络（附图2）
植物冠层和裸地间AOB和AOA群落的显著差异性至少部分可由可由植物冠层对养分可用性的影响来解释。因此，植物冠层（相对于裸土）区的高浓度有机物质（土壤有机C）、溶解的有机氮以及氨含量至少可部分解释冠层下AOB的基因丰度和丰富度要高于AOA的现象（图3；表1）同样，植物可以通过有机物质的增加间接增加土壤中氨的含量（ρ = 0.68；p <0.001；n = 160），通过枯枝落叶和根输入和溶解的有机氮（ρ = 0.24；p = 0.002；n = 160），一旦矿化就可以释放氨。因此，通过增加土壤氨和溶解的有机氮含量，植物可能促进AOB的基因丰度和丰富度，并减少AOA的基因丰度。我们还发现，与裸地相比，植被区的潜在硝化速率较高（图S5），并确定了所有研究土壤中硝化速率与AOB丰度之间的显着相关性（ρ = 0.22；p = 0.005；n =160）。该结果与先前的研究一致，即根际土壤中AOB的总丰度高于缓慢生长的植物的大块土壤，该土壤具有低比叶面积、低氮和高干物质含量等特征。此外，我们的结果与实验室和微观世界的研究结果一致，表明AOA在高水平的氨有效性下不利于其生长。这里提出的研究结果为AOA和AOB的氨生态位分化提供了的生态依据和田间野外依据。
尽管氨作为AOA和AOB群落的潜在驱动因素已经讨论过，但我们想强调的是，与植被相关的土壤（生物地球化学，还有水分）的其他方面，如阴影和小气候条件，也可能有助于解释植被在调节AOA和AOB基因丰度和丰富度方面的主要作用。因此，植物冠层下营养物富集以外的环境因素也会影响观察到的结果。这些包括AOA和AOB群落之间的潜在互相排斥（表1和S3），改善植物冠层下的微气候条件以及其他关键但难以测量（在现场和全球范围内）的环境因子如根际的活性C、凋落物分解和原位硝化速率等因素。植物还可能通过改变其冠层下的微气候条件来影响氨氧化微生物的丰度和丰富度，因为与裸地相比，植被区域的特点是土壤温度较低，土壤含水量较高。实际上，年均温和季节性温度与AOA和AOB群落呈现出相反的相关性（表1）。因此，与植被区域相比，裸露地面中AOA的丰度和丰富度可能至少部分归因于它们对这些区域中更极端条件（例如，季节性温度）的内在生理适应性。当然，其他环境因素也影响了AOA和AOB群落。例如，土壤性质，特别是pH值，与全球旱地AOA的丰度和丰富度具有显著负相关（图3）。此外，人类干扰指数与AOB的丰度呈正相关。人类活动促进N沉积。例如，氨含量与研究地点的人类干扰指数呈正相关（ρ = 0.52；p <0.001；见附图1），这可能有助于解释观察到的指数与AOB丰度之间的正相关关系。
Fig. 3 裸地和植被区的土壤性质和营养元素的平均值
接下来的工作应基于全球监测来展开，以评估季节性和水供应高峰对amoA微生物群落和硝化过程的影响，因为在水为主要限制因子的全球干旱地，amoA微生物群落可能会对季节性和水供应高峰做出响应。此外，我们要强调的是，进行全球调查所涉及的后续工作，例如该研究的调查，样本是多年收集的。因此，只要条件允许，未来在研究AOA和AOB群落的全球研究工作应该尝试使用更短的时间范围收集样本。尽管如此，我们的工作为AOA和AOB之间的生态位分化提供了强有力的证据，我们想要指出，由于两个主要原因，我们不希望我们的结果发生重大变化。首先，最近有人指出空气和土壤环境的影响对土壤微生物群落的重要性比季节性更重要。其次，事实上我们使用的是基于DNA而不是基于RNA的技术，能对来自新鲜土壤DNA的休眠和活性生物丰度提供一个更完整的图像。因此，我们相信我们的结果可以记录一年中土壤中发生的情况，而不是在给定的时刻。
总之，我们的研究结果支持了植物驱动全球旱地AOA和AOB群落的生态位分化的假说。证明了在全球旱地中植物冠层下的土壤AOB具有更高的丰度和丰富度。植物通过增加其冠层下的氨、溶解的有机氮和土壤C的含量来间接影响AOA和AOB的丰度。总之，我们的研究结果提供了在陆地生态系统中关于生态位分化在推动全球范围内AOA和AOB分布中的作用的新见解，为基于实验的证据提供了生态背景，以确定N可用性在调节AOA和AOB群落中的核心作用。
评论
该文章化繁为简，利用简单但实用的统计分析方法分析得到想要的结果，并没有太多的累述。但文章样品的保存比较薄弱，正如作者所述，-20℃存放2-6年之久对土壤样品是不利的，可能对微生物的影响比较大。尽管如此，分析的结果却是和预期的或受控实验的结果相一致，可能也足以说明该保存方法对土壤微生物或理化性质的改变不足以引起显著的差异。
你可能还喜欢