科研 | 土壤微生物对干旱和外来植物改变碳代谢的响应
本文由艾奥里亚编译，董小橙、江舜尧编辑。
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导 读
我们对全球变化驱动因素之间是如何相互作用以影响微生物群落的抵抗力和功能方面的理解严重不足，这阻碍了我们模拟生态系统对共同出现的全球压力的响应和反馈的能力。本研究中，在一个为期四年的野外降雨操纵试验中，探究极端干旱和外来植物（这两种环境条件对地中海型生态系统威胁最为严重）对土壤微生物群落组成和碳代谢基因的影响。结合微生物测定，土壤特性测定以及高通量微生物群落分析，阐明了微生物对两种气候的响应以及微生物介导对碳循环的影响。虽然微生物对实验干旱的响应较弱，但较少降雨期间导致微生物生物量和活性，以及包括Proteobacteria，Verrucomicrobia和Acidobacteria在内的细菌类群相对丰度下降，同时伴随Actinobacteria，Chloroflexi以及Firmicutes相对丰度的升高。与土著植物为主的土壤相比，外来植物条件下增加了土壤温度，增加了降雨过程中的入渗，降低了土壤保水能力和活性碳含量。在外来植物条件下发现了微生物活性更多的季节性变化。微生物分类群和碳代谢基因之间的关系支持这样一种解释，即外来植物通过改变土壤微环境和提供易于分解的高质量凋落物来改变微生物碳循环。土壤微生物群落对干旱和外来植物的响应可能通过产生更小、更易受伤害的微生物生物量碳，从而增加异养呼吸活性，潜在地影响生态系统的C储存。
论文ID
原名：Soil microbial responses to drought and exotic plants shift carbon metabolism
译名：土壤微生物对干旱和外来植物改变碳代谢的响应
期刊：The ISME Journal
IF：9.520
发表时间：2019
通信作者：Sherlynette Pérez Castro
通信作者单位：San Diego State University
实验设计
实验样地选取美国Santa Margarita Ecological Reserve地区，该地区主要以灌木为主，散布诸多草本植物以及一年生植物。试验区选择为在2013年雨季前建立起的33个3m×3m由灌木（n=15）或外来一年生植物（n=15）优势植物群落组成样地。试验设置三种不同的降水处理（50%，100%以及150%），每组5个重复，雨水通过排水沟从屋顶收集，并储存在现场储罐中，再分配到地块，以便利用一个高架灌溉系统达到各自的降雨处理水平。距离2.4km的气象站每日监测其降水量。在2013年至2016年的4年时间里，分别在冬季（雨季）、春季（植物生物量峰值）和夏季（旱季），用5×15cm的土芯取样器进行取样土壤，每次取样大约15cm深，共计12次取样。取样后低温保存，去除大块石头，植物残体等，用于土壤理化参数以及微生物多样性测定。
实验内容
1 干旱和外来植物对土壤微环境的影响
在42个月的抽样期内（2012年12月至2016年6月），美国加州处于自然干旱条件下。在野外站点在2013-2016年期间分别收到209、218、285和207mL的降雨量（表1）。此外，在试验前一年（2012年）也发生了干旱情况，当时该地点降雨量为285mL。由于缺乏降雨，实验中选取的50%和100%降雨处理代表两个干旱水平（分别为正常降雨量的32%和64%），150%的处理相当于正常降雨年。2014年具有最为干燥的冬季，从10月到次年2月只有122毫米（表1）。2015年是研究期间最湿润的一年，2015年至2016年厄尔尼诺事件带来了太平洋大风暴和夏季降雨。
表1 2012至2016年水年以mL为单位的环境季节性雨量（100%处理），以及在秋季/冬季（10月至2月）、春季（3月至4月）和夏季（5月至9月）的正常平均值358毫米/年计算的正常降水百分比。水年从10月1日开始，9月30日结束。试验降雨处理是在2013年冬季之前建立的。a代表2012年的降雨统计量。
降水处理对地表重量水含量（0-10 cm）的影响在冬季和春季比夏季更强，所有处理的重量水含量（GWC）都下降到了相似的水平（降雨处理和季节相互作用，P=0.002，表2）。例如，在冬季，土著植物中50%、100%和150%的降雨处理的GWC值平均分别为9%、11%和12%（基于所有冬季的平均值计算），而外来植物50%、100%和150%的降雨处理的GWC值分别为8%、12%和14%。在夏季，两种植物群落的所有降雨处理的总含水量都下降了约3%（图1a）。特别是在2015年冬季和2013年以及2014年春季（降雨处理，季节与年份交互作用，P=0.04），发现50%和150%的处理之间存在差异，这可能与高降水事件有关（表1）。植物群落类型通过直接作用和交互作用影响土壤微环境。植物群落对土壤水分的影响随季节和年份的不同而不同（植物×季节×年交互作用P=0.002）。在2013年，在单独评估季节时，土著植物地块的冬季和夏季GWC水平较高（图1a）。随着干旱持续时间的增加，在整个冬季在以外来植物为主的地块中观察到较高的GWC水平（只在2015年具有显著性差异）。在春季，2014年的土著植物地块和2016年的外来植物为主的地块的GWC值显著升高。
表2 降雨处理、植物群落类型、季节、年份及其相互作用对土壤和微生物特性影响的线性混合模型的P值总述。
图1 每年2013年冬季（Wi）至2016年夏季（Su）的土壤含水（a）、MBC（b）、SIR（c）和DOC（d）的年内和年际变化。误差线代表平均值的标准误差。
2 微生物种群大小和活动响应
微生物特性（微生物生物量碳（MBC），底物诱导呼吸（SIR））对时间变化的响应比对降雨处理或植物群落类型的响应更加强烈（表2）。由于株型、季节和年份之间的复杂交互作用，直接处理效果较弱，而单独对年份进行评价时，直接处理效果更为明显。例如，植物类型对MBC的总体影响很小（P=0.066），但在试验前两年对土著样地中MBC的影响较为显著（2013年和2014年为P=0.03，图1b），在2015年和2016年间无显著影响（P=0.77）。同样，整体降雨处理对土壤微生物量碳的影响较弱（P=0.049），但与其他降雨处理相比，2015年（最潮湿年份）150%降水处理的土壤微生物量有极显著的增加。MBC的显著季节效应（P=0.0002）反映出冬季生物量最高、夏季生物量最低的趋势，但这一趋势随年份的不同而有所不同（图1b）。2016年期间，在冬季和夏季观察到较低的MBC值（图1b），2016年冬季活性的缺乏可能与该冬季降水稀少有关（表1）。
MBC的显著时间效应（P<0.0001）反映出在试验过程中生物量呈下降趋势。这一点在冬季最为明显，2013年至2014年（土著植物地块）和2015至2016年（土著和外来两种地块），MBC平均值显著下降。这一模式与连续几年的年降雨量减少有关（表1）。在这两个植物群落中，MBC和GWC之间的相关性较弱，但显著相关（土著地块P=0.0002；外来植物地块P=0.004，图2a）。
SIR是一种潜在活性微生物生物量的测量方法，它不受降雨处理或植物类型的显著影响，但显示出与MBC类似的长期下降趋势。在外来植物为主的土壤中季节变化更为明显，春季（2013年和2014年）或夏季（2015年）的峰值较高（植物与季节相互作用P=0.044，图1c）。在土著植物样地中，SIR与MBC（土著植物为主地块P=0.002；外来植物为主P=0.2，图2b）和DOC呈显著正相关（土著植物为主地块P=0.01；外来植物为主P=0.3，图2c）。
图2 MBC与GWC（a），SIR与MBC（b），SIR与DOC（c）之间的关系（没有植物群落型×降雨处理相互作用）。
3 细菌群落组成响应
宏基因组测序结果表明，土壤细菌群落受年份变异影响最大，而植物群落和降雨处理对土壤细菌群落也有一定程度影响（表2）。基于测序，共检测到27个不同的细菌门，其中Proteobacteria（36%），Actinobacteria（31%），Bacteroidetes（6%），Firmicutes（6%），Acidobacteria（4%），Chloroflexi（4%）以及Verrucomicrobia（3%）占总测序结果的90%。在门水平上，基于PerMANOVA 检验发现，微生物类群与年份和植物群落类型间有显着性差异，但与降雨处理差异不显著（表2）。NMDs分析表明，2015年微生物群落与2013年和2016年相比存在差异（图3）。STAMP分析表明，14种细菌门在不同年份间差异显著。植物群落对微生物群落结构有显著影响；在外来植物地块，Proteobacteria和Verrucomicrobia显著减少，Chloroflexi，Cyanobacteria以及DeinococcusThermus相对丰度增加（图SI 6）。在这些门中，84个细菌属在土著植物占优势的地块和外来植物占优势的地块中有明显的过度或不足的，这些分属于Proteobacteria（58个），Cyanobacteria（14个），Chloroflexi（5个），Verrucomicrobia（4个）以及Deinococcus-Thermus（3个）。在属水平上，基于PerMANOVA 检验发现，这些细菌属与降雨处理差异显著（表2）。
图3 基于植物群落类型和年份的95%置信度微生物分类（左）和功能组成（右）的非度量多维标度（NMD）分析。分类谱代表门的水平，基因功能是碳水化合物代谢在level2水平上的二级分类。
图SI 6 在土著和外来主导的地块中表现出明显高于/低于的细菌门水平上的扩展误差条形图。
4 碳循环
土壤有机碳主要受植物群落类型（P=0.0002）、季节和年份交互作用（P<0.0001）的影响（表2）。根据所有样地在整个观测时间内的平均值，外来植物为主的样地DOC减少了约25%。在level 1水平上碳代谢占细菌功能基因的15%，其中包括11个2级功能属性（图4）。PerMANOVA结果发现，不同年份和植物群落类型之间存在显着差异，但不同降雨处理之间差异不显着（表2）。潮湿与干燥年份的影响以及土著植物与外来植物群落对微生物群落结构的影响之间存在显著的共性。因此，将微生物群落中的年份和植被驱动的变化推广到具有两组的单轴中，其中第1组代表外来植物地块和最干燥的年份（2013年和2016年），第2组代表土著植物地块和最湿润的年份（2015年）（图4）。这些群体和C循环基因的相关分析显示出两种不同的分类/功能簇（图4）。由Actinobacteria，Chloroflexi，Cyanobacteria，Deinococcus-Thermus以及Firmicutes组成的第1组与氨基糖和糖醇表现出正相关关系，而由Acidobacteria，Bacteroidetes，Planctomycetes，Proteobacteria以及Verrucomicrobia组成的第2组与多糖和糖苷水解酶呈现出正相关关系（图4）。
图4 碳循环功能基因丰度（x轴）与微生物门丰度（y轴）之间的Pearson’s相关矩阵。Pearson’s相关的颜色编码为蓝色正相关和红色正相关。
讨 论
在地中海型生态系统中，我们发现时间变异性和植物性状是评估微生物对极端干旱和外来植物干扰的响应的关键因素。降雨稀少的极端时期可以降低微生物生物量和活性，并改变微生物群落。与土著植物下的土壤相比，外来植物下的土壤具有明显的微生物环境，容易受到渗透和热胁迫的影响，从而增加了微生物的周转和活性碳的流失。微生物分类和碳代谢之间对气候和植物干扰的响应的相关性表明了特定微生物性状与潜在的碳过程之间的关系。土壤微生物群落对极端干旱和外来植物的响应可能通过产生更小、更易受伤害的微生物生物量碳，增加异养呼吸活性，从而潜在地影响生态系统的碳储存。虽然这项研究观察到微生物对多年干旱的反应，但还需要今后的研究来了解极端干旱时期后微生物群落的祸福情况以及对碳循环的潜在影响。
评 论
外来植物和气候干扰是地中海式生态系统最重要的威胁之一，诸多研究发现外来植物和降雨变化在土壤氮反馈在生态系统改变中具有重要作用。此外，外来植物可以通过改变土壤微气候和改变植物-微生物相互作用来影响土壤微生物群落。本研究中，通过测定土壤微生物活性结合宏基因组测序分析了细菌群落组成和碳功能基因在对不同降水以及外来植物的响应，以评估极端干旱、外来植物和时间变异性对土壤微生物群落和碳循环的影响。基于以上提出假设，及在极端干旱条件所引起的生理压力可能影响微生物种群大小、改变微生物群落结构和改变微生物功能。基于假说，笔者预计时间变异性、植物群落类型和微生物群落之间会发生复杂的相互作用。另一方面，高质量的外来凋落物可以促进微生物的丰富和代谢，改变微生物的碳过程。评价仅是小编的个人看法，欢迎大家一起进行讨论。
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