科研 | PNAS：资源增加下土壤微生物群落空间异质性的脆弱性与抗性
编译：gu作成熟，编辑：小菌菌、江舜尧。
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论文ID
原名：Vulnerability and resistance in the spatial heterogeneity of soil microbial communities under resource additions
译名：资源增加下土壤微生物群落空间异质性的脆弱性与抗性
期刊：PNAS
IF：9.41
时间：2020.03
通讯作者：Gravuer, Kelly
通讯作者单位：加州大学戴维斯分校
实验设计
实验在加州大学麦克劳克林保护区(N38°52′，W122°26′)进行, 场地分为三种不同的土壤类型和草地类型（粗糙的蛇纹石、茂密的蛇纹石、沉积岩石）。在我们的研究系统中，粗糙和繁茂的蛇形土壤场地相互穿插;由于这些非蛇形遗址被地质边界分开，因此不可能将它们完全散布开来。该地区属于地中海气候，1月平均气温7°C, 7月平均气温25°C，年平均降雨量69.6厘米。从2010年开始实施环境操纵。一个浇水(降水增加)处理模拟了雨季的延长，利用小型喷灌机收集的雨水，每周模拟一场中等强度的暴雨(夜间12小时内增加2.5厘米的水量)，持续8周。每年的总降水量增加约为平均年降水量的18%。另一个为施肥处理播撒含微量营养素的缓释粒状氮磷钾(10-10-10)肥料，每年分三次(11月、2月初和3月底)平均施用，每年施氮、磷和钾的总量为10克/平方米。在仍下雨的长时间内进行多次施肥，以在生长季节提供尽可能多的时间和空间均匀的养分供应率。在这三种土壤类型中，我们分别对10到12个重复的3 m×3 m的地块进行全因子处理组合，其中仅选取中心2 m×2 m区域，以避免边缘效应。换句话说，每一种土壤类型的10至12块地都接受了下列各种处理组合:施肥、不浇水(F);浇水,未施肥(W);施肥和浇水(FW);和对照(未施肥、未浇水)(C)，共132块地
我们在2013年春季，该季节低于往年平均降水量(51厘米)，结束时对土壤进行取样。我们在2013年5月28日至29日收集了土壤微生物群落组成和净氮矿化和硝化试验，以捕捉整个降水添加的影响。我们还在2012年11月6日至7日(第一次主要降雨后一周)、2013年2月4日至5日(植物处于营养状态时)和2013年3月16日至17日(植物开始抽芽时)取样土壤进行净氮矿化和硝化作用。每次取样都发生在施肥前。在去除落叶之后，我们在每一块土地上收集了三个复合土芯(直径为7厘米)，深度为7.5厘米，这是在粗糙的蛇纹石中能够可靠收集到的深度。在晚春取样时，将微生物组成的子样品置于无菌试管中，置于冰上运输，并在- 20℃下保存，使用MoBio PowerLyzer试剂盒(MoBio实验室)提取DNA，并将其送到Argonne国家实验室进行扩增和测序。在样地之间用70%乙醇清洗土壤取芯器。剩余的土壤也被保存在冰上，然后立即进行处理(进行酶活测定)，或者在4°C下保存<48小时，直到处理(净氮矿化、硝化和土壤湿度)。我们把剩下的土筛过2毫米筛网，风干，然后把<2毫米的部分送到西部化学分析实验室。
结果
1真菌组成
对于真菌的分类学组成，施肥减少了散布（图1A）。这种效应在统计上对浇水和未浇水的地块都很显著（即，真菌分类学组成在FW组中变异显著小于W组，在F组中变异显著小于C组）（表1和2）。
施肥还降低了真菌群落组成的分散性(根据群落相对频率之间的欧氏距离来衡量)；这种影响在未浇水的地块组有统计学意义(F地块的真菌群落组成变化明显小于C地块)，而在浇水的地块组有边缘意义(FW地块的真菌群落组成变化略小于W地块)。(表1及表2)
在真菌群落中，施肥引起共生型(互惠型)相对频率的降低和病原型(拮抗型)相对频率的增加(线性混合效应模型中施肥效应为F = 42.0，共生物营养相对频率为P < 0.0001，共生物营养相对频率为F = 25.4，共生物营养相对频率为P < 0.0001)。总体而言，共生菌在未施肥地中占OTU的36.3±1.0％，而在施肥地中占29.0±0.9％，而营养菌在未施肥地中占7.6±0.3％的OTU，而在施肥地9.1±0.2％。
然而，这些变化在不同的情节中并不相同;在未施肥的土壤中，共生菌的相对频率最高，例如在粗糙的蛇形土壤上，在未施肥和施肥田间共生菌相对频率的下降最大，(皮尔逊相关，r =-0.75, P < 0.0001)，而未施肥的对照地则有最低的病原菌相对频率，同样主要是在粗糙的蛇纹石上，在未施肥和施肥的对照地块中，表现出最大的病原微生物相对频率的增加(Pearson相关系数，r = -0.83, P < 0.0001;图2 A和B)。这些变化导致施肥区真菌群落组成比未施肥区更加均匀(图2A)。
图1.（A和B）响应浇水田施肥，微生物组成的变异性降低。（C）在施肥和未施肥的浇水地块中，酶功能的变化保持一致。（D）响应于浇水地块施肥，后期春季氮循环功能的变异性增加。这些分析结合了土壤内部和内部的影响。
图2所示.降低了真菌群相对频率的变化对未浇水施肥的响应。(A)未施肥区(左)和未施肥区(右)的病原菌和共生菌的相对频率，(中)已施肥区(F)和未施肥区(C)的各群落的相对频率之差。只有粗糙的蛇形和非蛇形土壤显示为简单;郁郁葱葱的蛇纹石显示出与非蛇纹石相似的图案。误差条代表1SE。(B) C地块的病原菌相对频率与F小区的病原菌相对频率及匹配C地块的病原菌相对频率之差。平均而言，随着施肥的增加，病原菌的相对频率也随之增加，而当对照小区的初始病原菌相对频率较低时，施肥小区与对照小区的病原菌相对频率差异较大。许多经历最大变化的情节都发生在严酷的蛇形地带。
表1. 利用PERMDISP分析处理对小区间微生物组成和功能的变异(分散)的影响。对于对比度P值，深橙色表示添加了某种处理（“组合”在“ vs.”左侧的处理组合）可减少地块之间差异（与右侧的处理相比）的对比度，而较浅的橙色则表示边际差异。大幅减少。绿色表示对比，添加处理（对比“左侧”的处理组合）增加了地块之间的差异（与右侧的处理相比）。粗体值表示每个结果的整体PERMDISP分析的基于排列的P值<0.05。处理代码：C，控制；F，受精；FW，施肥+浇水；W，浇水。
表2.处理对样地中微生物组成和功能变异（分散）的影响，表示为每个样地与质心组的平均距离±1标准误差。处理代码：C，控制； F，受精； FW，施肥+浇水； W，浇水。
2 细菌和古细菌组成
施肥对细菌和古细菌分类学成分的分布影响不大，著降低了浇灌地块的分散性(细菌和古细菌的分类学组成在FW块中明显小于W块)但对未浇水地块的分散性影响不显著(F类和C类的细菌和古细菌分类学组成的差异在统计学上是相似的)(图1B，表1和表2)。细菌和古细菌的特征成分的散布(用欧几里得距离测量)在浇水和未浇水的土壤中都没有受到施肥的显著影响。（F块地和C块地基于细菌和古细菌特征的成分的变化在统计上是相似的）(表1和表2)。与施肥对某些微生物组成指标的显著影响形成对比，对于未施肥（W vs. C）或施肥（FW vs. F）的地块，在浇水后均未观察到分散度的显着变化，不考虑所测试的微生物组(真菌或细菌和古生菌)或成分度量(表1和表2)。
3 微生物功能
根据欧氏距离测定的微生物功能，施肥一般会增加微生物的散布(表1和表2)。具体来说，对于N循环，无论浇水还是未浇水，这种影响在统计上都是显着的(例如, FW地块的变量明显大于W地块，F地块的变量明显大于C地块)(表1和表2，图1D)。在酶功能方面，施肥效应仅在未浇水的土壤中显著(例如,F组的变量明显多于C组)(表1和2)这主要是由参与N循环的酶的变异性增加引起的(总蛋白水解能力和NAG)。
根据微生物的功能(以欧几里得距离衡量)，浇水增加了酶的分散和晚春N循环，但仅在未施肥的地块上(表1和表2)。在施肥地块中，浇水对酶的分散和春季氮素循环功能没有显着影响（表1和2）。
根据微生物功能（通过欧几里得距离测得），浇水减少了早春N循环中秋季的分散性，但仅在施肥的土地上(表1和表2)。在未施肥的地块，浇水对秋季至早春N循环的散布没有显著影响(表1和表2)。
4 土壤化学性质
讨论
1 环境选择决定了微生物群落在空间上的组成差异
微生物的组成和功能被认为是了解生态系统在面对快速的环境变化时如何继续提供服务的最重要的生态特性之一。我们所应用的资源强化变化，特别是施肥，导致最初资源贫乏的群落中互惠真菌的相对频率降低，拮抗真菌的相对频率升高，真菌组成与资源丰富的土壤群落更加相似。相反，我们发现细菌和古生菌群落组成的空间异质性和一些微生物功能的变化具有抵抗性。其他微生物功能表现出增强的空间异质性，因为一些氮循环功能在资源丰富的土壤中加速，而它们最初的速度更快。
施肥条件下真菌组成的均质化与植物群落的变化是平行的，其中最初较不肥沃的部位表现出较大的组成变化，与最初较肥沃的部位的植物群落更为相似。施肥降低了共生菌(互惠菌)的相对频率，增加了病原菌(拮抗菌)的相对频率。但是，其最大的影响（根据匹配的施肥和未施肥地块之间的相对频率差异来判断）是共生体最初最频繁，而亲营养体最初最不频繁，这是最不肥沃的地方。众所周知，共生体在营养不良的环境中更丰富，施肥后减少。在施肥条件下，能保护根系免受真菌侵害的共生菌数量减少，从而导致病原菌数量增加。另外，当施肥促进植物获得资源特性综合征(包括保护较少的根组织)时，病原菌可能会受益。在我们的研究中，快速生长的外来植物物种接管了粗糙的蛇形土壤，这些植物物种在肥沃的土壤中已经很普遍了，这可能有助于观察到真菌的均质化。
相反，细菌和古细菌的组成对养分的添加有相对的抗性，这可能是因为这些微生物主要对土壤的性质如pH、Ca:Mg和阳离子交换能力有反应，而在本实验中施肥并没有对这些性质产生很大的影响。细菌和古细菌分类学组成的空间变异性表明，在浇水的地块中添加养分后会适度减少，但是在基于细菌和古细菌组成的大量加权，基于特征的测量中以及未浇水的土块中均未观察到这种影响。真菌菌丝具有桥接充满空气的土壤孔隙的能力，而细菌和古生菌更依赖于水膜来获取资源，这可能有助于真菌比细菌和古生菌在不加水的情况下对施肥有更大的响应。此外，真菌似乎比细菌和古菌与植物组成的关系更强，这可能是因为更多的真菌是植物的共生菌或拮抗菌。
仅加水对真菌或细菌和古细菌组成的空间变异性影响相对较小。其他研究也发现，在加利福尼亚草原的不同土壤中，微生物对水的反应大致相同。考虑到微生物通过休眠来应对降雨变化的能力，在自然降雨事件中，许多在浇水地块中增加的分类单元也可能会增加，从微生物的角度来看，这降低了浇水处理的生态新颖性。
对于一些与营养循环相关的微生物功能，空间变异性增加了，因为资源的增加导致在肥沃的地方这些功能的水平已经更高。未施肥和施肥均表现出这一增强异质性的效应。在的影响因素包括较不肥沃土壤中普遍较低的碳含量和持水能力，这可能限制了营养相关过程对资源添加的响应。粒状肥料可能导致了功能变异性的增加，一些样品比其他样品含有更多的营养热点。主要的例外是，在秋季至早春氮循环期间，水分的空间变异性降低，特别是净氮矿化率。这一效应只发生在施肥区，在那里浇灌耗尽的溶解的有机碳、铵、硝酸盐和(较小程度的)磷，从而使这些土壤特性均质化。处理效果的季节性差异突出了了解脉冲环境变化对生态系统级微生物功能模式的时间影响的重要性。从广义上讲，我们的微生物功能研究结果的某些方面与植物群落的研究结果相呼应，即在高度缺乏营养的生态系统中，水的添加本身几乎没有影响，这可能是由于微生物资源的整合。
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