Microbiome ：空間尺度上隨機性與決定性對華北平原麥田土壤細菌群落中的影響

發(fā)稿時間：2018-09-29來源：天昊生物

英文題目：Spatial scale affects the relative role of stochasticity versus determinism in soil bacterial communities in wheat fields across the North China Plain

中文題目：空間尺度上隨機性與決定性對華北平原麥田土壤細菌群落中的影響

期刊名： Microbiome     發(fā)表時間： 2018 02 05      IF：9.133

單位:  中科院南京土壤研究所 

技術： 細菌16S擴增子測序（V4）

測序平臺： Illumina MiSeq

研究背景：隨機性與決定性在土壤細菌群落中的相對重要性尚不清楚，改變細菌群落之間平衡的可能影響也是不明確的。在這里，我們研究了空間尺度上隨機性和決定性在僅由小麥組成的農業(yè)單一栽培中的相對作用的影響，期望能最大限度地減少了植物物種覆蓋和栽培/干擾機制差異的影響，進一步對華北平原（NCP）的土壤和氣候進行研究。

研究方法：我們對華北平原北緯30-40度, 東經(jīng)109-122度范圍內的27個地點（圖S8左），每個地點在100平方公里內對相距約3.3公里的9個地塊進行了采樣（圖S8右），采樣深度0-15cm，每個地塊收集了12個樣品，隨后混合，總共收集了243個土壤樣本。所有樣本分成2份，其中一份用于測定物理和化學性質，另一份用于DNA提取并測序。測序使用MiSeq平臺對16S rRNA細菌基因V4區(qū)進行了測序。作者假設，空間尺度上決定性將在最廣泛的范圍內發(fā)揮相對更強的作用。 為了檢驗假設的更普遍適用性，作者同時對青藏高原上的自然生態(tài)系統(tǒng)進行了比較。

圖S8華北平原采樣圖和樣方集的位置。

研究結果：

1. 從華北平原的小麥-玉米輪作系統(tǒng)中獲得了15,184,073個質量序列，并鑒定了75,179個OTU，主要是細菌和一些古細菌。放線菌、α-變形菌、酸桿菌、γ-變形菌、β-變形菌和綠彎菌門占據(jù)優(yōu)勢地位，占總序列的75％以上。δ變形菌綱、芽單胞菌門、浮霉菌門、擬桿菌和固氮菌等在土樣中普遍存在（圖S1）。

圖S1所有土壤（華北平原）的優(yōu)勢細菌門/類和古菌門的相對豐度。 土壤按采樣點分組

2. 在空間尺度上，隨機過程在華北平原上相對更為重要，而確定性過程在青藏高原上更為重要。以下為華北平原不同空間距離下隨機性與確定性的貢獻比例（表1、圖1）。

（表1 不同空間尺度中βNTI值的變化以及華北平原每個空間尺度中確定性和隨機過程的相對貢獻率（％）

βNTI值為βNTI> 2或βNTI< - 2，則確定性過程對于在所有站點中形成社區(qū)組成非常重要，而如果βNTI值在-2和2之間，則隨機過程將發(fā)揮重要作用。）

圖1 華北平原空間尺度分組的βNTI值散布圖

3. 土壤pH值是影響華北平原土壤細菌群落結構的主要因素。通過基于BC距離的非度量多維比例圖展示樣品之間的聚類程度，顏色用土壤PH梯度表示（圖2）。利用代表α-diversity的PD值與PH進行相關性分析作圖（圖3）。其他土壤因素，如鎂（Mg），鈣（Ca），總磷（TP），總鉀（TK），錳（Mn），砷（As），鉀（K），鎘（Cd），鋅（Zn），有效磷（AP）和鐵（Fe）也顯示出與土壤細菌群落的顯著關系。代表α-多樣性的細菌系統(tǒng)發(fā)育多樣性（PD），OTU，Chao1，Shannon和Simpson E指數(shù)隨著土壤pH和TP的增加而顯著增加，土壤pH值對細菌多樣性的影響最大，其次是Mg，Ca，TP，Cd和EC（導電性），其他因素如有機碳（OC），總氮（TN），溶解有機碳（DOC）和錳與細菌多樣性呈負相關。

圖2 華北平原（NCP）小麥土壤中的細菌群落組成結構

圖3 華北平原土壤pH與細菌系統(tǒng)發(fā)育多樣性的關系

4. 未降水土壤微生物數(shù)據(jù)變異的23.9％可以用環(huán)境因素，線性趨勢和空間尺度來解釋。其中，空間尺度加上線性趨勢對土壤微生物數(shù)據(jù)的變化貢獻了4.1％，環(huán)境土壤因子占19.7％，6.6％可歸因于環(huán)境變量與空間參數(shù)之間的相互作用（圖4）。然而，所有細菌數(shù)據(jù)的大部分變異（76.1％）無法通過模型參數(shù)或它們之間的相互作用來解釋。

圖4基于分析和PCNM空間尺度分析的環(huán)境和空間參數(shù)的影響

研究結論 :

1. 我們的結果表明，隨機性與確定性的相對重要性確實隨著空間尺度的變化而變化。 在華北平原，隨機性在150至900公里（成對地點之間的分離）中占主導作用，決定性在超過900公里（大范圍）中占主導地位。 在青藏高原上，決定性在130至1200公里處占主導作用，隨機性在不到130公里內占主導地位。

2. 在可識別的確定性因子中，土壤pH值對華北平原土壤細菌群落結構和多樣性的影響最大。

3. 未降水土壤微生物數(shù)據(jù)變異的23.9％可以通過環(huán)境因子解釋，其中環(huán)境因素占19.7％，空間參數(shù)4.1％。