科研 | FEMS：生态漂移是木本豆科作物根瘤细菌多样性的主要驱动因素
编译：gu作成熟，编辑：小菌菌、江舜尧。
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了解与植物相关的微生物群落组成及其在植物生态中的表现是微生物生态学的主要目标。对于固氮根瘤菌来说，群落的组成一般是由寄主植物的选择和土壤条件驱动的。这里旨在研究在极端营养限制条件下，中性和确定性生态过程对豆科灌木rooibos（南非国宝茶，Aspalathus linearis Burm. Dahlgren）根瘤细菌组装的相对重要性。
在来自耕地、野生栖息地以及这些土壤的混合物（v：v=1：1）中种植rooibos幼苗，这些土壤来自广泛的地理区域，并经过施肥处理。利用nodA基因（即rooibos的核心根瘤菌共生体的共同基因）和gyrB基因（即所有细菌类群的共同基因）对细菌群落进行了表征。最终发现仅生态漂移是根瘤菌群分类更替的主要驱动因素，扩散限制和漂移共同驱动了核心根瘤菌群落.
论文ID
原名：Experimental assembly reveals ecological drift as a major driver of root nodule bacterial diversity in a woody legume crop
译名：实验表明生态漂移是木本豆科作物根瘤细菌多样性的主要驱动因素
期刊：FEMS Microbiology Ecology
IF：3.771
时间：2020.05
通讯作者：Josep Ramoneda
通讯作者单位：苏黎世联邦理工学院
实验设计
为了研究施肥和土壤混交对rooibos根瘤菌群的影响，研究者建立了rooibos根瘤菌群的交叉因子盆栽试验。设计时考虑了以下因素：i）“位置”有五个层次，代表五个土壤收集的农场来源；ii）“土壤来源”有三个层次，包括靠近耕地和未开垦土地收集的土壤；iii）两个水平的“施肥”，包括添加或不添加羊粪。实验单元是一个植物个体的盆栽，按照所有30个试验处理（即5个地点× 3个土壤来源×2个施肥处理），每个处理10个重复（总共=300个试验单元）。
采集土壤表层30cm的土壤用于试验，采集地点为栽培和野生rooibos植物（即南非西开普省Suid Bokkeveld的不同农场），农场相距5.5-33公里。
两公升的花盆里装满了耕地或野生栖息地的土壤，或是1:1体积的土壤混合物。施肥处理包括7.5克风干羊粪。羊粪使盆栽土壤全氮含量增加30%，全磷含量增加50%。
结果
1 施肥和土壤来源对Rooibos干重的影响
Rooibos生长所需的营养来自施肥，施肥使Rooibos干物质加倍（图1）。虽然在混合土壤中生长的植物往往具有较高的干物质，但这种影响并不显著。缺肥引起丛生根形成增加的生理反应（图1中灰点和黑点的积累）。与此一致的是，随着施肥量的增加，叶片氮磷比从26.22±7.15下降到18.57±5.32（P<0.001）。施肥通过增加包括根系在内的全株干物质促进根瘤的形成。重要的是，无论施肥与否，根瘤数量与根干物质呈正相关。施肥植株的叶片和根系中的所有微量营养素浓度均较高，但枝条中的钙和根中的铁除外。
图1. Rooibos（Aspalathus linearis Burm）植株干物质总量。干物质总量受羊粪施肥和土壤类型的影响。这些土壤是从五个地点/农场采集的。箱形图显示了中间值、上四分位和下四分位。黑点表示有丛生根的植物的数据，灰点表示没有丛生根的植物的数据。
2 根瘤群落多样性
共回收到93个具有nodA的OTUs和355个具有gyrB的OTUs。当用nodA标记（即诱导结瘤的能力）表征时，它们只属于中根瘤菌属（Mesorhizobium），而gyrB包括根瘤菌属（Rhizobium）、缓生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、农杆菌属（Agrobacterium）、草螺菌属（Herbaspirillum）和副根瘤菌属（Paraburkholderia）（图2）。所有的微生物属在所有的处理中都被检出，与施肥或土壤来源有关的分布没有明显差异。
中根瘤菌属（Mesorhizobium）是迄今为止Rooibos根际中最具优势的微生物。与未施肥土壤相比，在施肥土壤中生长的植物具有更大比例的非中根瘤菌属OTUs（图2），而土壤来源也影响其相对丰度。在未施肥土壤中，土壤来源对微生物相对丰度的影响尤其强烈，栽培土壤中非中根瘤菌OTUs的比例高于未开垦土地和混合土壤（图2B）。
图2 八月龄的Rooibos根际操作分类学单位（OTU）的相对丰度。土壤施肥羊粪（A）或不施肥（B）。OTUs由系统分类学标记基因gyrB以99%的序列同源性进行相似聚类，并由所有公开的和分类学上指定的序列确定属。
3.施肥、土壤来源与Rooibos根瘤细菌OTU丰富度和多样性的关系
施肥和土壤来源对gyrB细菌群落的丰富度和Simpson多样性有显著影响。与未施肥植物相比，施肥植物的gyrB-OTU数量显著增加（图3A），虽然这也受到土壤来源的影响，但影响程度较小。具体而言，耕作和混合土壤的gyrB-OTU丰富度显著高于未耕作土壤。
在施肥土壤中生长的植物具有更多样的根瘤菌群（图3B）。土壤来源对gyrB-OTU群落的多样性也有显著的影响，由耕作土壤组成的细菌群落比未耕作土壤组成的细菌群落更为多样。混合土壤的细菌群落与未混合土壤的细菌群落没有差异。与群落丰富度相似，土壤来源对群落多样性的影响与施肥处理无关。
图3 施肥和土壤来源对Rooibos（Aspalathus linearis Burm）根际OTU丰富度和多样性的影响。图中展示了施肥对丰富度和多样性影响的混合模型试验结果。
4.根干物质和根瘤菌群多样性之间的关系
GyrB-OTU丰富度和多样性与根干物质（图4A）以及每株根瘤数量（与植株大小相关）呈正相关（图4B）。混合效应模型认为根干物质是解释根瘤群落丰富度（P<0.001）和多样性（P=0.007）的重要因子。Simpson指数的增加意味着中根瘤菌的优势降低，我们将非中根瘤菌OTUs的丰度与根干物质和每株根瘤的数量联系起来。在较大根系（r=0.459，P<0.001）和根瘤数较高的植物（r=0.457，P<0.001）根际土壤中，这些物质更为丰富（图4C，D）。
5. Rooibos根瘤细菌群落的β多样性
基于Bray-Curtis nodA差异的NMDS排序（图5A-C）揭示了群落结构与土壤采集地点的强大关联。地理位置对以GyrB为特征的细菌群落结构的影响较小（图5D-F）。来自同一地点的混合土壤导致群落差异的地理信号更加强烈（图5C）。PERMANOVA结果表明土壤来源影响了gyrB和nodA数据集的群落组成。土壤来源对gyrB恢复的群落结构的重要性是nodA恢复的两倍。此外，施肥对gyrB群落结构的影响较弱但显著，但对nodA群落没有影响，而施肥与土壤来源的相互作用没有影响。根系大小对β-多样性的影响也很小。NMDS图提供了与PERMANOVA结果一致的信息。
为了解释观测到的β多样性差异，我们根据两个基因所代表的细菌群落的Bray-Curtis距离计算了位置X的土壤团簇（the location X soilclusters）与质心（Centroids）之间的距离，并将它们与土壤性状之间的地理距离和欧氏距离进行了关联。我们发现，对于具有nodA标记的群落（图6A），地理距离和质心距离之间存在显著的正相关（r=0.515，P<0.001），但对于gyrB群落（r=0.175，P=0.626；图6B）则不存在显著的正相关。对于nodA群落，我们只发现质心距离与土壤Mg浓度呈显著正相关（r=0.227，P=0.02）。gyrB与持水量（r=0.303，P=0.002；图6C，D）、土壤K浓度（r=0.282，P=0.004）和土壤N浓度（r=0.200，P=0.045）之间存在显著相关性。
最后，遵循前人的方法，我们计算了中性（基于漂移和扩散）和确定性（基于选择）过程在驱动rooibos根瘤菌群更替中的相对贡献。我们发现中性过程对这些群落的形成很重要（图7）。gyrB群落结构主要受生态漂移驱动（ecological drift ，62.6%），其次为均匀选择（homogenising selection，25.6%），扩散限制与漂移结合（the combination ofdispersal limitation and drift，6.4%）。相反，rooibos的核心共生群落（基于nodA）主要由分散限制和漂移（dispersallimitation and drift，81.1%）构成，其次是单独漂移（drift alone，16.7%）（图7）。
图5.八月龄Rooibos根瘤菌群的非量测多维度（NMDS）差异。
图6. 八月龄rooibos植物根瘤菌群差异与试验中用于种植rooibos的土壤的地理距离和不同土壤的持水能力之间的关系。利用结瘤基因nodA（A，C）和gyrB（B，D）以99%的序列同源性聚集成OTUs，对根瘤菌群落结构进行了分析。
图7. 中性（漂移和扩散相关）和确定性（选择相关）生态过程解释根瘤群落结构差异的相对贡献。
结论
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