前瞻性 | Frontiers in Microbiology: 土壤采样方案和采样密度对微生物多样性的检测结果存在影响
编译：木木的天空，编辑：十九、江舜尧。
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土壤微生物群落长期以来被认为是重要的生态系统组成部分，并且已成为许多地方和区域研究的焦点。然而，土壤微生物在生物多样性方面缺乏大空间尺度数据，且迄今为止，全国性或更广泛的研究通常包括随机采样时样品的可重复性较低。这导致土壤微生物多样性数据存在较大的空间差异。使用法国16公里常规采样网格中预先存在的细菌群落组成数据集，研究者发现在不同的采样设计(网格、随机或代表性)下，检测到的OTUs的数量变化不大，但随着收集样本数量的增加而增加。整个数据集中所有常见的OTUs都是在只分析4%的样本时检测到的，但稀有的OTUs数量随着采样的密度而呈指数增长。研究表明，要检测土壤微生物的生物多样性，需要在全球所有生物群落中进行更密集的采样。作者提出了诸如让公民参与科学等途径，以确保这些大样本数据集能够更加接近真实情况。此外，研究者认为，充分利用现有资源和项目，有效利用现有技术，并考虑未来技术的潜力，可确保从大规模和广泛的抽样调查中获得更好的结果。总的来说，减少全球土壤微生物多样性数据的空间差距将增进人们对土壤分类群分布规律的理解，以及这些分布规律和它们对生态系统的贡献将如何在未来继续发生变化。
论文ID
原名：Perspectives on the impact of sampling design and intensity on soil microbial diversity estimates
译名：土壤采样方案和采样密度对微生物多样性的检测结果存在影响
期刊：Frontiers in Microbiology
IF：4.3
发表时间：2019.8
通讯作者：Gavin Lear
通讯作者单位：新西兰奥克兰大学生物科学学院
实验设计
结果
从数据结果来看，最常见的OTUs实际上可以从仅收集的4％样品的分析中检测到（图1A，如曲线所示）。这在很大程度上与样本是从随机位置，以规则网格格式收集，还是按比例地表示土壤环境的自然多样性无关（图1B，2）。即使分析了数据集的地理子集，这种模式仍然适用。相对较少的微生物类群的优势在全球范围内也有类似的报道。因此，在区域数据集中常见的采样设计和强度的变化可能不是在全球范围内捕获常见的和占优势的细菌分类群的重要考虑因素。
图1 | (A)分类单元积累曲线，显示了随机(线)和网格(点)采样方法检测到的OTUs。这些行表示罕见的数目(>占总读数的0.001%;实线)和普通(<0.001%总读数;虚线)增加随机采样检测OTUs;使用100个排列组合，按随机顺序添加位置，计算平均值。标准差用灰色表示。红点表示随着网格尺寸的减小(从而增加采样强度)检测到的稀有(空心点)和普通(填充点)OTUs的数量。(B)通过不同的子抽样方法检测到的唯一和共享OTUs的数量。
虽然许多常见类群的检测可能不需要对当地环境进行密集采样，但采样强度对群落多样性测定有显著影响，这主要是由于随着采样工作量的增加，对罕见OTUs的检测增加(图1A)。细菌分类群可能由于其局部丰度低、生境特异性低或地理传播受限而较为罕见，但它们对生态系统过程的影响可能不成比例。有条件的稀有细菌分类群可能具有更高的代谢活性，即使以低丰度存在也是如此，其丰富的遗传资源已被证明通过有益基因的水平转移可以增强更丰富的微生物的功能。在法国数据集中检测到的罕见OTUs的数量似乎不受抽样设计的影响(即，网格与随机抽样)，但确实随着样本数量的增加而增加(图1A)。即使纳入所有可用样本，新发现的OTUs数量确实随着样本数量的增加而减少(图1A)，但也未达到罕见OTUs增加的完全平稳。这表明，在国家生物多样性监测范围内，有关采样强度的决定对于生成具有全球可比性的数据集是至关重要的，因为在这些数据集中，稀有类群的分布是有意义的。
地球微生物组计划（EMP）可能是全球范围内各种环境中微生物多样性目录最全面和最协调的努力，强调了通过合作研究可以取得的实质性进展。即使在环境管理计划中，多个地区的采样量也严重不足，而且代表性不足；欧洲，亚洲，南美洲，非洲和澳大利亚的大陆各有<10个空间独立的微生物DNA样本。类似的空间偏差在以往研究中很明显。考虑到微生物群落结构变异在空间尺度上差异很大，必须做出大量的努力以进一步缩小土壤细菌多样性数据的全球差距。为了在全球范围内进行有效的统计分析，可能需要按比例代表不同土壤环境的相对多样性，甚至过度代表罕见的环境或条件，因为不同的环境梯度主导着不同生物群落和空间尺度的群落组合。例如，土壤pH值往往与细菌多样性密切相关，以至于它可以用来产生全球细菌多样性的预测。然而，某些生物群落并非如此，例如草原，干旱反而促进了细菌的多样性。这些发现强调了开展适合于多尺度数据分析的微生物生命调查的重要性，因为在小尺度上了解影响细菌群落组成的因素并不一定能推断出在大尺度上得出可靠的结论。基于网格的抽样设计是实现这一目标的最强大的统计方法，前提是网格的分辨率比感兴趣的尺度处理过程更细。
图2 |不同采样方法捕获的常见OTUs(占总读取量的0.001%)和罕见OTUs(占总读取量的< 0.001%)的数量;所有样品:样品的位置由我们子样品的完整的数据集,包含1798个样本收集16公里网格数据。采样代表捕捉到一系列不同的土地用途,土壤性质和气候条件(n = 144)，随机: 从完整的数据集中随机抽取144个样本(使用100个排列，并给出平均±标准差),网格:以近似网格格式收集的151个样本。
通过增加研究设施之间的合作，甚至研究人员和公众之间的合作，可以增加国家和国际土壤微生物数据集的规模。从宏观生物学生态学家的手册中剔除，采用公民科学方法被认为对于从更偏远地区采集样本特别有用，尽管必须确保一致且记录良好的样本处理以准确可比性和可重复性。已有许多实例研究，公众参与其中以帮助收集鸟类，树木和热带珊瑚礁物种的生态调查数据。可以说，收集和运输土壤样本比识别和监测动植物所需的时间和专业知识要少得多。由于公众参与宏观生物调查已被证明是一种成功的生物多样性监测工具并且越来越多地被用于土壤微生物调查，这是一个值得探索增加的途径全球覆盖细菌群落数据。
讨论
对微生物生命进行全面、系统的调查，这对于提供关于微生物分布和驱动这些模式的因果过程的新观点至关重要。可以理解的是，与持续采样的国家或全球研究相关的重大努力和成本意味着通常可以看到涵盖大空间范围的研究，但采样却具有空间不规则及相对较低的可重复性。即使是最广泛的全国范围的土壤细菌生物地理数据集，如不列颠群岛和澳大利亚的调查，也使用非均匀抽样设计，并可能包含样本重复，这些重复偏向于人口更密集和/或可访问的区域。为避免或解释这些偏差，随机或定期(例如，基于网格的)抽样被认为是可取的，但却很少有研究进行尝试。因此，为扩大全球土壤微生物数据集的方法提供信息，了解这些替代取样方法对我们估计细菌土壤群落结构的影响是有用的。
仅仅确保更好的抽样设计和全球覆盖面是依旧是不够的，因为生态学家对了解影响当今生物体分布的因素越来越感兴趣。这需要微生物DNA与一系列相关的物理化学变量的一起收集；然而，迄今为止，发表的许多大规模研究的缺点是收集的元数据范围有限，详尽的土壤分析的高昂成本仍然是主要限制。一个解决方法是微生物调查与土壤物理化学监测计划合作，其中包括综合土壤养分，物理特征和重金属浓度清单。收集生物多样性数据以及传统的大规模土壤监测计划的好处越来越被认识到。随着环境监测机构越来越意识到微生物数据报告不同环境的健康和生产潜力的效用，现有的监测计划越来越可能被调整为微生物调查提供有价值的支持，以帮助识别关键与社区组成的变化和相关分类单元存在跨不同空间和时间尺度。
微生物生态学家倾向于从DNA序列数据描述组成和多样性的变化，而往往不命名单个分类群，甚至细菌群。可以说，这种方法阻碍了人们对细菌自然史的理解。然而，不同于以往主导大规模微生物群落多样性分子评估的DNA指纹方法，二代测序(NGS)现在允许从其独特的DNA条形码识别分类群，并在不同的分类水平进行分组。重要的是，研究者不仅要描述微生物群落组成的一般变化，还要更详细地观察单个分类单元，或分类单元的系统发育或功能组，就像传统生态学家研究植物和动物通过描述和命名现有物种来表征生物多样性一样。令人鼓舞的是，随着更多配对微生物和元数据的收集，NGS技术不仅开始用于评估分类数据，而且开始用于预测微生物功能群落属性。使用猎枪DNA方法对复杂土壤元基因组进行充分测序的成本意味着，尽管在不同的生物群落和土地用途下，微生物功能多样性已经得到评估，协调努力从大规模土壤数据集中收集元基因组数据仍然非常有限。尽管如此，科学家可以利用土壤分类学和相关元数据的日益增加的可用性，对微生物分类群和性状的生物地理进行有根据的预测。随着土壤微生物群落调查的空间范围和粒度的增加，土壤pH值、养分或潜在污染物浓度等变量与微生物类群分布和相对丰度之间的关系得到了更好的解释。这使得对可能发现特定生物体或生物体群的环境，甚至对尚未培养或仅从其16S rRNA序列中已知的生物体，可以做出更强的预测。
对于如何分析提取的DNA（或RNA）很可能发生技术变化，在原始样品材料的加工过程中也可能发生改进和变化。例如，提取遗传物质。已经反复证明DNA提取偏差对不同的样品和生物类型表现出偏差和限制。对当前DNA提取技术的未来改进或新方法的开发可能导致希望重新分析先前的样品以获得对存在的微生物群落的更准确的表示。先前已经表明，在土壤储存一个世纪后，可以从干燥的土壤样品中提取细菌DNA，并且DNA可以在-80℃保持数月。然而，需要进行更多的研究以确定时间和储存条件对原始样品材料中微生物群落组成的影响，以及DNA在数年内而不是数月内的降解。按照目前的最佳实践，通过国家和全球微生物多样性调查生成的大样本数量的储存方法至关重要。这不仅可以及时了解当前全球土壤细菌的生物多样性，而且可以应用未来的生物多样性监测方法，而不必重复劳动密集型和昂贵的采样过程。
总结
在过去的十年中，在全球范围内对微生物多样性进行分类的工作取得了重大进展，但由于缺乏在国家和全球范围内进行采样的系统方法，导致数据集不平衡，无法覆盖地球上所有的生物群落。加强研究人员之间的协调，与土壤监测机构和公众的合作，可以促进收集更广泛和密集的空间数据集。对全球土壤进行广泛抽样，以确定其中的微生物类群及其功能，对于提高人们对这些群落中自然变异的认识，人类土地利用对微生物的影响以及气候变化对未来生态系统可能产生的影响至关重要。
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