天昊客戶新文：海螺溝冰川不同年代土壤細(xì)菌和真菌群落的演替軌跡和驅(qū)動力

發(fā)稿時(shí)間：2018-01-16來源：天昊生物

 

中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所近期在《Soil Biology and Biochemistry》上發(fā)表了不同冰川年代的土壤細(xì)菌和真菌群落具有不同組合方式和驅(qū)動力的文章。在這項(xiàng)研究中天昊生物有幸承擔(dān)了樣品的擴(kuò)增子測序和生物信息學(xué)分析工作。在恭喜客戶又發(fā)表文章同時(shí)，我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目：Divergent assemblage patterns and driving forces for bacterial and fungal communities along a glacier forefield chronosequence

中文題目：不同冰川年代的土壤細(xì)菌和真菌群落具有不同組合方式和驅(qū)動力

期刊名：Soil Biology and Biochemistry     發(fā)表時(shí)間： 2018年1月    影響因子：4.857

研究目的: 

盡管微生物在冰川地區(qū)成土過程和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展中無處不在，并且起著關(guān)鍵的生態(tài)功能，但是細(xì)菌和真菌有著截然不同的演替軌跡，并且關(guān)于群落的驅(qū)動力仍不清楚。在這項(xiàng)研究中，分析了海螺溝冰川變化的七個(gè)不同階段相關(guān)細(xì)菌和真菌群落，量化其分類組成和演替動態(tài)，并從中解讀植物建立、土壤發(fā)育和線蟲對微生物演替軌跡的影響。

研究對象：

觀察到的海螺溝冰川衰退始于1823年，自20世紀(jì)初以來已明顯加速。這項(xiàng)研究是在7個(gè)經(jīng)歷長期初級演替的地點(diǎn)進(jìn)行的，它們分別處于末次冰消期后的不同時(shí)間（從裸土到開荒植被群落，最終達(dá)到頂極植被群落）。每個(gè)階段的大致年齡根據(jù)樹的年輪和¹³⁷ Cs評估的土壤侵蝕速率進(jìn)行校正，最終分為7個(gè)時(shí)間階段（1階段：冰川衰退后3年，到7階段：冰川衰退后120年）。

在每個(gè)時(shí)間階段，使用3個(gè)5×5m的實(shí)驗(yàn)地塊（在1和2階段，因?yàn)閰^(qū)域較小所以使用2×2m地塊）。植物群落的分類確定到種水平，以評估植物的豐富性（包括喬木，灌木和草本層），所有取樣的植物材料按種類進(jìn)行分類，然后烘干和稱重。用一個(gè)直徑為5厘米的土壤取樣器從每塊地中心和5個(gè)角落采集土壤樣本，五份土壤混成一份樣本，通過2mm篩除去根，約200克的土壤分為三個(gè)部分：（1）土壤理化性質(zhì)分析；（2）土壤線蟲群落分析；（3）土壤微生物生物量測定和DNA提取。

測序技術(shù)：細(xì)菌16S rRNA擴(kuò)增子測序（V4-V5）和真菌ITS1擴(kuò)增子測序

研究結(jié)果：

微生物群落組成、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)發(fā)育多樣性

• 優(yōu)勢細(xì)菌主要是：變形菌門（44.19%）、酸桿菌門（21.25%）、擬桿菌門（9.11%）、浮霉菌門（4.1%）、放線菌門（3.57%）、綠彎菌門（3.10%）、芽單胞菌門（2.34%）和疣微菌門（2.03%）（圖1a）。
• 優(yōu)勢真菌主要是：子囊菌門(48.14%)、擔(dān)子菌門(36.84%)、接合菌門(4.13%)（圖1b）。
• NMDS分析能把細(xì)菌整體分為三個(gè)群：第1階段為cluster1，第2-5階段為cluster2，第6-7階段為cluster3，三個(gè)cluster之間沒有重疊（圖1c）。
• NMDS分析能把真菌體分為2個(gè)群：早期（階段1-5）和后期（階段6 -7）（圖1d）。與真菌相比，每個(gè)時(shí)間階段的細(xì)菌聚集的更緊密（圖1c和d）。

 

圖1 海螺溝冰川不同演替階段的細(xì)菌（A，C）和真菌（B，D）物種組成和NMDS分析。

共生網(wǎng)絡(luò)分析

• 共生網(wǎng)絡(luò)表明細(xì)菌和真菌群落的復(fù)雜性在中間時(shí)間階段達(dá)到頂峰，其節(jié)點(diǎn)和邊緣數(shù)量最高（圖2）。
• 細(xì)菌重疊的節(jié)點(diǎn)主要屬于Proteobacteria（變形菌門）和Acidobacteria（酸桿菌門），真菌重疊的節(jié)點(diǎn)主要屬于Ascomycota（子囊菌門）和Basidiomycota（擔(dān)子菌門）（圖2）。
• 對于細(xì)菌，與Acidiferrobacter、Geobacter、Hyphomicrobium、Polaromonas、Thiobacillus、Arthobacter主要存在于階段1和2；Gp1、Gp2、Granulicella、Bradyrhizobium、Burkholderia、Phenylobacterium、Opitutus主要存在于階段6和7。對于真菌， Massarina、Alternaria、Boeremia、Mortierella、Mycoarthris、Neobulgaria、Otidea主要存在于早期階段，Sebacina、Tomentella、Russula、Inocybe主要存在于晚期階段。

 

 

圖2 海螺溝冰川不同演替階段的細(xì)菌（A）和真菌（B）共生網(wǎng)絡(luò)分析。

土壤和生物因素與微生物群落的關(guān)系

• 通過冗余分析區(qū)分了3個(gè)細(xì)菌群落和2個(gè)真菌群落，在環(huán)境因子中，ph、總磷、土壤有機(jī)碳、凋落物C/N和植物豐富度與微生物群落密切相關(guān)（圖3a和b）。
• 變分分析表明相對于生物因素，土壤性質(zhì)在確定細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)方面更為重要，尤其是在早期階段1–5, 在最后的兩個(gè)階段，隨著森林的建立，生物因素以及生物和土壤互作越來越重要（圖3c和d）。
• 結(jié)構(gòu)方程模型表明，環(huán)境因素影響排名按以下順序：1)細(xì)菌: 土壤全磷（0.66）、土壤pH值（0.64），土壤SOC（0.44）, 植物豐富度（0.36）和線蟲放牧（0.25）;  2)真菌: SOC（0.62）, 食線蟲（0.57）, pH值（0.52），植物豐富度（0.48）和總磷（0.10）（圖3e、f）。

 

圖3 海螺溝冰川不同演替階段的細(xì)菌和真菌群落與環(huán)境因素的RDA（a,b）、VPA（c,d）和SEM（e,f）分析。AP速效磷；SOC土壤有機(jī)碳；TN總氮；TP總磷。實(shí)心箭頭和虛線箭頭分別表示正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，箭頭的粗細(xì)反映標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)大小。

 

不同生物群的反應(yīng)和驅(qū)動力對比

• 四個(gè)生物群的豐富度和生物量表現(xiàn)出類似的反應(yīng)（圖4a、b）。植物和線蟲的豐富度反應(yīng)最高，細(xì)菌的豐富度反應(yīng)最低（圖4a），另一方面，真菌的生物量反應(yīng)最大，其次是細(xì)菌、植物和線蟲（圖4b）。大多數(shù)生物群在第5階段達(dá)到最大的豐富度，在第6階段達(dá)到最大生物量，然后在后期下降（圖4）。
• 隨機(jī)過程支配細(xì)菌和真菌群落的變化，而確定性過程支配著植物群落的形成，相反，在線蟲中確定性和隨機(jī)過程大致相等（圖4c）。在最后兩個(gè)階段，決定論對細(xì)菌和真菌的重要性增加了，與細(xì)菌相比，真菌群落組成有更強(qiáng)烈的隨機(jī)性驅(qū)動力（圖4c）。

 

圖4 海螺溝冰川不同演替階段不同生物群的豐富度反應(yīng)（a）、生物量反應(yīng)（b）和變化效應(yīng)的相對重要性（c）分析。

研究結(jié)論：

1. 共生網(wǎng)絡(luò)表明，細(xì)菌和真菌的群落復(fù)雜性通常在中間時(shí)間階段達(dá)到高峰。細(xì)菌重疊的節(jié)點(diǎn)主要屬于Proteobacteria（變形菌門）和Acidobacteria（酸桿菌門），真菌重疊的節(jié)點(diǎn)主要屬于Ascomycota（子囊菌門）和Basidiomycota（擔(dān)子菌門）。

2. 變分分析和結(jié)構(gòu)方程模型表明，土壤性質(zhì)是塑造微生物群落結(jié)構(gòu)的主要動態(tài)因素，特別是在早期階段。生物因素，包括植物豐富度和線蟲取食，在最后兩個(gè)階段隨著針葉林的建立而越來越重要，最終控制真菌群落的周轉(zhuǎn)。

3. 細(xì)菌群落在裝配過程中表現(xiàn)出更緊湊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而支持決定論，而真菌群落更松散的聚類則說明它們更多地是由隨機(jī)過程決定的。

4. 這些證據(jù)都顯示隨著冰川不同年代的土壤細(xì)菌和真菌群落具有不同的演替軌跡和驅(qū)動力。

5. 這是第一次嘗試了解冰川中土壤-植物--微生物-線蟲的關(guān)系，它可為未來了解溫暖無冰世界的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展提供更全面的觀點(diǎn)。