喜訊！天昊微生物測(cè)序項(xiàng)目文章登陸Cell子刊《Current Biology》

發(fā)稿時(shí)間：2019-12-12來(lái)源：天昊生物

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院近期在《Current Biology》上發(fā)表了蚯蚓協(xié)調(diào)土壤生物群改善多種生態(tài)系統(tǒng)功能的研究文章。在這項(xiàng)研究中天昊生物有幸承擔(dān)微生物擴(kuò)增子測(cè)序工作。在恭喜客戶(hù)又發(fā)表高分文章的同時(shí)，我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目：Earthworms Coordinate Soil Biota to Improve Multiple Ecosystem Functions

中文題目：蚯蚓協(xié)調(diào)土壤生物群改善多種生態(tài)系統(tǒng)功能

期刊名：Current Biology

影響因子： 9.193

研究概要：

自查爾斯達(dá)爾文時(shí)代以來(lái)，蚯蚓一直被認(rèn)為是土壤工程師，但最近的幾項(xiàng)綜合研究表明，蚯蚓的活動(dòng)與溫室氣體排放量增加、土壤生物多樣性減少以及植物對(duì)害蟲(chóng)的防御能力低下有關(guān)。我們的研究為蚯蚓在生態(tài)多功能框架內(nèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的多重直接和間接影響（綜合衡量生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)提供多種生態(tài)系統(tǒng)功能的能力）提供了新的實(shí)地證據(jù)。一項(xiàng)描述21種生態(tài)系統(tǒng)功能的13年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，蚯蚓的存在通常通過(guò)間接而非直接的影響來(lái)增強(qiáng)多功能性。具體來(lái)說(shuō)，蚯蚓通過(guò)將功能組成轉(zhuǎn)移到有利于細(xì)菌能量通道的土壤群落，并加強(qiáng)土壤微生物和微型動(dòng)物群落的生物組合，增強(qiáng)了多功能性。然而，蚯蚓介導(dǎo)的土壤物理結(jié)構(gòu)、pH值和分類(lèi)多樣性的變化與土壤的多功能性無(wú)關(guān)。我們認(rèn)為蚯蚓及其相關(guān)土壤生物群的協(xié)同作用是維持稻麥復(fù)合種植系統(tǒng)高水平多功能性的重要原因。管理作物殘?jiān)斎牒蜏p少土壤理化干擾應(yīng)將促進(jìn)有益的蚯蚓效應(yīng)，并支持對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

研究背景：

農(nóng)業(yè)土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如糧食生產(chǎn)和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程，在世界人口不斷增長(zhǎng)和全球變化的情況下，越來(lái)越重要，這些服務(wù)不僅受到氣候變化或土地利用轉(zhuǎn)換等非生物因素的驅(qū)動(dòng)，而且還受到大型生物的極大影響，土壤動(dòng)物。蚯蚓是著名的“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，被認(rèn)為是維持土壤健康和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中植物生產(chǎn)所必需的。一般認(rèn)為它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能有積極或中性影響，如土壤物理結(jié)構(gòu)和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。然而，最近的meta分析揭示了蚯蚓對(duì)一些生態(tài)系統(tǒng)功能的負(fù)面影響，包括增加溫室氣體排放（如CO ₂和N₂O），減少土壤生物多樣性，降低植物對(duì)韌皮部害蟲(chóng)的抗性。這表明蚯蚓效應(yīng)不能從單獨(dú)研究生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中推斷出來(lái)，因?yàn)槊總€(gè)過(guò)程都可能受到蚯蚓活動(dòng)的積極影響、消極影響或不受影響。多功能框架可以解決這些矛盾報(bào)告，因?yàn)樗梢蕴峁┒鄠€(gè)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程（如植物生產(chǎn)力、分解過(guò)程和養(yǎng)分循環(huán)）上蚯蚓活動(dòng)的多維、集成和同時(shí)評(píng)估。生態(tài)系統(tǒng)水平的多功能性可以用平均法（平均每個(gè)功能的標(biāo)準(zhǔn)值）和閾值法（計(jì)算通過(guò)閾值的功能數(shù)量）來(lái)量化，由于每種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這兩種方法一起使用。由于蚯蚓被認(rèn)為是一種活躍的土壤生態(tài)系統(tǒng)工程師，因此蚯蚓的活動(dòng)已經(jīng)與多種過(guò)程聯(lián)系在一起，因此蚯蚓有很大的潛力成為農(nóng)業(yè)多功能的生物學(xué)指標(biāo)。

蚯蚓可能通過(guò)多種途徑影響生態(tài)系統(tǒng)的多功能性。首先，蚯蚓能夠通過(guò)食用植物根部，通過(guò)排泄物釋放礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)素和植物激素來(lái)支持作物生長(zhǎng)，從而直接影響生態(tài)系統(tǒng)功能（圖1A）。第二，蚯蚓的“生物擾動(dòng)”活動(dòng)可以通過(guò)澆鑄和挖洞活動(dòng)（圖1B）改變土壤的非生物特性（如土壤水分、pH值和團(tuán)聚體），從而改變土壤微生物群，從而間接影響多功能性（如養(yǎng)分循環(huán)和植物生產(chǎn)），例如微生物和微型動(dòng)物（圖1C）。第三，蚯蚓的“消化”活動(dòng)可以通過(guò)蚯蚓砂囊誘導(dǎo)的破碎和腸道相關(guān)的過(guò)濾過(guò)程改變土壤微生物群，從而間接影響多功能性（圖1D）。所有這些影響都可以同時(shí)發(fā)生，但在修改單一因素（如土壤pH值、土壤團(tuán)聚體或生物群落）的研究中，這些影響始終是單獨(dú)檢查的。然而，要評(píng)估蚯蚓介導(dǎo)的變化在多功能環(huán)境中對(duì)土壤非生物和生物特性的重要性，必須理清它們的直接和間接影響的相對(duì)強(qiáng)度。

圖1 蚯蚓對(duì)生態(tài)系統(tǒng)多功能性貢獻(xiàn)途徑的概念框架，（A）表明蚯蚓的直接影響和（B）-（D）是蚯蚓通過(guò)挖洞和澆鑄活動(dòng)介導(dǎo)的土壤非生物特性或通過(guò)研磨和過(guò)濾過(guò)程介導(dǎo)的生物群落的間接影響，所有這些效應(yīng)在蚯蚓活動(dòng)期間同時(shí)發(fā)生。

由于對(duì)土壤生物群落的定義過(guò)于簡(jiǎn)單，因此難以量化生物途徑的變化。迄今為止，多功能相關(guān)研究幾乎總是將生態(tài)系統(tǒng)功能與物種或分類(lèi)多樣性聯(lián)系在一起，并提供了顯著的證據(jù)，證明隨機(jī)生物多樣性喪失導(dǎo)致操縱實(shí)驗(yàn)中多功能生態(tài)系統(tǒng)功能的下降。然而，與實(shí)驗(yàn)操縱的生物多樣性喪失相比，分類(lèi)多樣性并不是生物系統(tǒng)影響生態(tài)系統(tǒng)功能和一般對(duì)干擾的非隨機(jī)響應(yīng)的唯一方面。事實(shí)上，與分類(lèi)學(xué)多樣性的作用相比，土壤群落向某些功能團(tuán)（即功能組成）的轉(zhuǎn)移對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響更大，例如以前的研究表明，蚯蚓減少了微生物物種的多樣性，但增加了細(xì)菌/真菌的比例，這可以將類(lèi)似數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)和能量從植物轉(zhuǎn)移到土壤食物網(wǎng)作為原始土壤微生物群落。利用的綜合了多樣性、群落組成和生態(tài)系統(tǒng)功能的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析可以評(píng)估復(fù)雜多樣群落的分類(lèi)群之間的關(guān)聯(lián)性。這意味著，生物組合在多個(gè)營(yíng)養(yǎng)群之間的變化可能是生態(tài)系統(tǒng)多功能性的一個(gè)被忽視但可供選擇的預(yù)測(cè)因子。

為了闡明蚯蚓對(duì)多功能性的直接和間接影響的相對(duì)強(qiáng)度，我們分析了土壤理化性質(zhì)（團(tuán)聚體穩(wěn)定性和pH值）、土壤群落屬性（分類(lèi)多樣性、功能組成和生物組合）和21種生態(tài)系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)。在稻麥輪作系統(tǒng)下進(jìn)行了13年的田間試驗(yàn)，連續(xù)兩年獲得數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)中采用了兩種秸稈施用方法（秸稈覆蓋在土壤表面或與土壤表層結(jié)合），并控制了主要內(nèi)生蚯蚓Metaphire guillelmi的豐度（即對(duì)地塊進(jìn)行接種蚯蚓或移除蚯蚓）。列舉了土壤微生物和微型動(dòng)物，計(jì)算了它們的群落特征。將21種生態(tài)系統(tǒng)功能分為4類(lèi)，反映了地上和地下生態(tài)過(guò)程：（1）植物生產(chǎn)力，（2）植物養(yǎng)分，（3）養(yǎng)分和碳循環(huán)過(guò)程，（4）養(yǎng)分和碳循環(huán)驅(qū)動(dòng)因素。我們測(cè)試了蚯蚓的存在是否會(huì)通過(guò)直接作用（如對(duì)植物根系的啃食）或通過(guò)中和土壤pH值、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體和調(diào)節(jié)群落屬性間接增強(qiáng)多功能性。我們還測(cè)試了蚯蚓對(duì)多功能性的間接影響是否與群落屬性有關(guān)，如分類(lèi)多樣性、生物組合，或與涉及細(xì)菌和真菌能量通道的土壤群落功能組成的變化有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)蚯蚓的存在通過(guò)將土壤群落的功能組成轉(zhuǎn)移到細(xì)菌主導(dǎo)的群落，從而加強(qiáng)了土壤-食物網(wǎng)中的生物聯(lián)系，從而增強(qiáng)了多功能性。有趣的是，蚯蚓介導(dǎo)的土壤物理結(jié)構(gòu)、pH值和分類(lèi)多樣性的變化并沒(méi)有改變多功能性。蚯蚓協(xié)調(diào)生物群落達(dá)到高水平的多功能性，揭示了蚯蚓種群對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵作用。

主要研究方法：

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

本研究在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田站進(jìn)行。本試驗(yàn)于2001年建立，夏播水稻，冬播小麥。四個(gè)處理被隨機(jī)分配到12個(gè)地塊中的三個(gè)區(qū)塊（每個(gè)處理三個(gè)重復(fù)）。四個(gè)處理是：（i）秸稈覆蓋在無(wú)蚯蚓的土壤表面（mulched）；（ii）秸稈覆蓋在有蚯蚓的土壤表面（mulched + earthworm）；（iii）秸稈還田到無(wú)蚯蚓的土壤中（incorporated）；（iv）秸稈還田到有蚯蚓的土壤中（incorporated + earthworm）。2014年和2015年，我們收集了小麥（5月）和水稻（10月）成熟期的土壤樣本。在每個(gè)樣地中，從0-20cm土層中隨機(jī)采集8個(gè)土芯（直徑2.5cm），并混合在一起，每個(gè)樣地形成一個(gè)復(fù)合樣本，共12個(gè)樣地×（兩個(gè)作物期）×（兩年）=48個(gè)樣地，在2小時(shí)內(nèi)采集土芯，然后存放在4度。所有需要新鮮材料的分析均在取樣后兩周內(nèi)完成，所有其他分析均在取樣后兩個(gè)月內(nèi)完成。

微生物檢測(cè)

我們分別使用定量PCR（qPCR）測(cè)量微生物豐度（即細(xì)菌和真菌）和磷脂脂肪酸分析（PLFA）來(lái)測(cè)量微生物豐度（細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌和叢枝菌根真菌）。采用Illumina MiSeq測(cè)序測(cè)定微生物群落中主要物種（即細(xì)菌、真菌、古細(xì)菌和原生生物）的相對(duì)豐度。使用Greengenes數(shù)據(jù)庫(kù)（http://Greengenes.lbl.gov/）對(duì)細(xì)菌和古細(xì)菌進(jìn)行分類(lèi)，使用PR ²數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)真菌和原生生物進(jìn)行分類(lèi)（http://ssu rrna.org）。

研究結(jié)果：

蚯蚓的存在改變了生態(tài)系統(tǒng)的功能

蚯蚓的存在增加了所有四個(gè)多功能性指數(shù)和超過(guò)一半的單一生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)（21個(gè)生態(tài)系統(tǒng)功能中的52%；圖2）。秸稈還田處理的多功能性指數(shù)顯著高于秸稈覆蓋處理，稻麥栽培期間差異不顯著。在21種生態(tài)系統(tǒng)功能中，43%的生態(tài)系統(tǒng)功能不受蚯蚓的影響，包括作物產(chǎn)量、地上部生物量、根系生物量、地上部碳、根系碳、土壤有機(jī)碳、微生物活性、微生物生物量氮和微生物生物量磷（圖2）。由于蚯蚓的存在，秸稈覆蓋處理中只有N₂O排放減少（圖2）。

圖2 蚯蚓的存在影響單一生態(tài)系統(tǒng)功能和多功能指數(shù)。所有變量在蚯蚓存在（straw mulched + earthworm秸稈覆蓋+蚯蚓和straw incorporated + earthworm秸稈還田+蚯蚓）和蚯蚓不存在（straw mulched秸稈覆蓋和straw incorporated秸稈還田）時(shí)（n=8；2年×2個(gè)作物階段×2個(gè)秸稈應(yīng)用）的變化。

蚯蚓的存在對(duì)土壤群落特征和非生物特性的影響

蚯蚓改變了土壤群落組成，降低了土壤群落的均勻度（圖3A和3B）。蚯蚓的存在略微減少了細(xì)菌、真菌、古細(xì)菌和線(xiàn)蟲(chóng)的分類(lèi)群數(shù)量，并略微增加了原生生物分類(lèi)群的數(shù)量。蚯蚓通過(guò)增加細(xì)菌/真菌比值和食細(xì)菌線(xiàn)蟲(chóng)/食真菌線(xiàn)蟲(chóng)比值，以及碳循環(huán)與氮循環(huán)中活性細(xì)菌比值改變了優(yōu)先能量通過(guò)土壤食物網(wǎng)的途徑，這些增量在秸稈還田處理中高于秸稈覆蓋處理（p<0.05；LSD檢驗(yàn)；圖3C）。同時(shí)，蚯蚓加強(qiáng)了營(yíng)養(yǎng)群之間的生物聯(lián)系，如相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析所示（圖4）。此外，蚯蚓通過(guò)提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性改善了土壤物理結(jié)構(gòu)（p=0.003；LSD檢驗(yàn)），同時(shí)它們對(duì)土壤pH值沒(méi)有影響（圖3D）。

圖3 蚯蚓的存在對(duì)土壤生物群落和非生物特性的影響。（A）土壤生物（細(xì)菌、真菌、線(xiàn)蟲(chóng)和原生生物）的豐度；（B）土壤生物群的主坐標(biāo)分析（PcoA），均勻度指數(shù)以Pielou's index計(jì)算，數(shù)值越低，不均勻性越高；（C）土壤生物群功能組成。碳氮轉(zhuǎn)化過(guò)程細(xì)菌比例是指在碳循環(huán)中活性細(xì)菌與氮循環(huán)中活性細(xì)菌的比例；（D）土壤非生物特性（團(tuán)聚體能力和pH值）。

圖4 蚯蚓存在與生物聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)可視化研究。線(xiàn)條寬度表示顯著相關(guān)性的數(shù)量，而線(xiàn)條顏色和透明度表示相關(guān)性強(qiáng)度，如圖例所示。左側(cè)顯示了無(wú)蚯蚓時(shí)秸稈覆蓋（A）和秸稈還田（C）的生物組合，右圖顯示了有蚯蚓時(shí)秸稈覆蓋（B）和秸稈還田（D）的生物組合。B.Nematode表示食細(xì)菌線(xiàn)蟲(chóng)；F.Nematode表示食真菌線(xiàn)蟲(chóng)；H.Nematode表示 食草線(xiàn)蟲(chóng)；O.Nematode 表示雜食性線(xiàn)蟲(chóng)；P.Nematode 表示捕食性線(xiàn)蟲(chóng)。

蚯蚓對(duì)生態(tài)系統(tǒng)多功能性的直接和間接影響

分段結(jié)構(gòu)方程模型顯示，由功能組成（標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)=0.11-0.22）和生物組合（標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)=0.08-0.10）介導(dǎo)的間接效應(yīng)促成了多功能性（圖5）。這種影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蚯蚓的直接影響以及分類(lèi)多樣性和非生物因素的間接影響（圖5）。生物組合強(qiáng)度隨著功能組成的變化而增加（圖5）。蚯蚓增加了團(tuán)聚體穩(wěn)定性，但這些物理性質(zhì)與多功能性無(wú)關(guān)（圖5）。

圖5 描述蚯蚓對(duì)生態(tài)系統(tǒng)多功能性直接和間接影響的分段結(jié)構(gòu)方程模型。在該模型中，蚯蚓對(duì)多功能性的直接影響是由一個(gè)從蚯蚓指向多功能性的單箭頭表示的，而蚯蚓對(duì)多功能性的間接影響是由土壤群落屬性（分類(lèi)多樣性，功能組成，以及生物組合）和土壤非生物特性（團(tuán)聚體和pH值）介導(dǎo)的，我們將蚯蚓量化為：無(wú)蚯蚓處理（秸稈覆蓋和秸稈還田）為0，有蚯蚓處理（秸稈覆蓋+蚯蚓和秸稈還田+蚯蚓）為1。箭頭的寬度與路徑系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)）的強(qiáng)度成正比，連續(xù)的綠色箭頭和連續(xù)的紅色箭頭分別表示正相關(guān)和負(fù)相關(guān)系，而黑色虛線(xiàn)箭頭表示無(wú)顯著關(guān)系。來(lái)自模型（右圖）的標(biāo)準(zhǔn)化總效應(yīng)（直接效應(yīng)和間接效應(yīng)）表明了關(guān)系的效應(yīng)大小。

線(xiàn)性混合效應(yīng)模型證實(shí)蚯蚓對(duì)多功能性的間接影響顯著地由功能組成和生物組合介導(dǎo)，而分類(lèi)多樣性、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和pH值對(duì)多功能性沒(méi)有影響（表1）。功能組成參數(shù)中的幾個(gè)預(yù)測(cè)因子，即細(xì)菌/真菌比值、食細(xì)菌/食真菌線(xiàn)蟲(chóng)比值以及碳循環(huán)與氮循環(huán)細(xì)菌比值，對(duì)多功能性有顯著貢獻(xiàn)（表1）。

表1 線(xiàn)性混合效應(yīng)模型（LMM）結(jié)果顯示蚯蚓對(duì)生態(tài)系統(tǒng)多功能性的間接影響，由土壤群落屬性（分類(lèi)多樣性、功能組成和生物組合）和土壤非生物特性（團(tuán)聚體穩(wěn)定性和pH值）介導(dǎo)。

功能組成和生物組合與多功能指數(shù)和許多生態(tài)功能，特別是與養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)因素和過(guò)程，均呈正相關(guān)（圖6）。

圖6 生態(tài)系統(tǒng)功能和蚯蚓介導(dǎo)的預(yù)測(cè)因子之間的成對(duì)相關(guān)系數(shù)，包括土壤群落屬性（分類(lèi)多樣性、功能組成和生物組合）和土壤非生物特性（團(tuán)聚體穩(wěn)定性和pH值）。標(biāo)簽顏色反映了它們的分類(lèi)：黃色：植物生產(chǎn)力；藍(lán)色：植物營(yíng)養(yǎng)；綠色：營(yíng)養(yǎng)和碳循環(huán)過(guò)程；紅色：營(yíng)養(yǎng)和碳循環(huán)驅(qū)動(dòng)因素；黑色：多功能指數(shù)。