朱永官院士领衔团队在Microbiome发文揭示了土壤动物微生物组多样性的营养级变化规律
近日，朱永官院士领衔的团队在微生物著名期刊Microbiome在线发表了题为“Trophic level drives the host microbiome of soil invertebrates at a continental scale”的研究论文，首次系统地揭示了土壤动物微生物组多样性的营养级变化规律。
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“螳螂捕蝉，黄雀在后”。这句熟悉的谚语背后隐藏着一个基本的生态学现象：自然界中动物之间存在捕食与被捕食的关系。正如这句谚语中的螳螂以蝉为食，而自己又成为了黄雀的果腹之物，蝉—螳螂—黄雀之间构成了一条清晰、简单的食物链。在自然界中，蝉不是螳螂唯一的食物，螳螂还会猎食其它许多昆虫，与此同时，黄雀的食物选择也不局限于螳螂。这些复杂交错的捕食关系构成了一张巨大无比的维系生态系统稳定的食物网，遍布地球每一寸土地。这些地面之上的食物网关系已被大家所熟知，然而那些隐藏在“地下”（土壤中）的食物网随着科技的进步其神秘的面纱也正在被揭开。蚯蚓是大家熟知的土壤动物，其对土壤肥力的维持起到重要作用。除蚯蚓之外，土壤中还存在大量需要用放大镜和显微镜才能观察到的动物，它们之间也构成了复杂的食物网，并对农作物生长和生态系统的健康起到重要的作用。
人体携带大量的肠道微生物，这些微生物对人体的健康起到重要的作用。类似的，土壤动物也携带大量的微生物。当低营养级动物被高营养级动物捕食后，部分低营养级动物携带的微生物能定殖在高营养级动物体内。这引发了一个重要的科学问题：土壤食物网中随着营养级的增加，动物体内微生物组多样性是如何变化的？
为了回答这一重要的科学问题，研究人员分别从六个典型的农田和森林生态系统中采集了具有重要生态功能的六类土壤动物（线虫、跳虫、线蚓、甲螨、捕食螨和蚯蚓），采用氮的稳定同位素技术确定了不同动物在土壤食物网中的营养级地位，通过微生物DNA的高通量测序技术研究土壤动物微生物组的变化。结合生物信息学和相关模型分析等手段，系统揭示了土壤动物微生物组在食物网中随营养级变化的特征。
他们的研究表明，丰富多样的微生物定殖在土壤动物体内，且不同于周围土壤中的微生物。随着土壤动物营养级的增加，其体内微生物的多样性也随之增加（图1）。中性模型的结果表明，环境因素对跳虫、甲螨和捕食螨微生物变化的解释率高于线虫、线蚓和蚯蚓。通过网络分析发现土壤动物微生物组中未被认知的细菌的比例随着营养级的增加而增加（图2和3）。进一步分析发现所有生态系统中的土壤动物都具有大量独有的微生物，且独有微生物的数量也随着营养级的增加而增加（图1）。中性模型表明，确定性过程（宿主的选择作用）对土壤动物微生物组中独有微生物的形成具有决定性的作用。这些结果表明，土壤动物是微生物生物多样性的重要储存库，且处于食物网顶端的土壤动物具有更高的微生物多样性和更多的独有微生物。这些认识对于生物多样性的保护具有重要作用。随着全球变化的加剧，大量研究已经显示土壤动物正在以前所未有的速度遭受灭绝，特别对于那些位于高营养级的动物。一旦土壤动物灭绝，其体内的独有的微生物也将面临灭绝。这一研究将对全球生物多样性保护提出新的要求，在关注动物的同时也应该关注其体内携带的独有微生物。我们不希望在没有认识它们存在的时候它们就灭绝了，更谈不上如何利用它们。
图1 土壤动物微生物组多样性随营养级增加的变化
图2 土壤动物微生物组中独有的最丰富的258个细菌类群的系统发育分布
图3 不同营养级土壤动物微生物组的网络分析
该研究得到了国家自然科学基金（42077216和41991332）的资助。中国科学院生态环境研究中心助理研究员朱冬为第一作者，朱永官院士为通讯作者；烟台大学丁晶副教授，西班牙帕布罗·德·奥拉维德大学Manuel Delgado-Baquerizo教授和澳大利亚麦考瑞大学Michael R. Gillings教授为该项研究的共同作者。
译名：在大陆尺度上的研究表明土壤动物的营养级地位驱动了其微生物组的变化
期刊：Microbiome
IF2021：14.65
发表时间：2021.09.20
通讯作者：朱永官