科研 | PNAS：干旱环境降低了土壤的微生物多样性和丰富度
本文由殷继忠编译，董小橙、江舜尧编辑。
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土壤细菌和真菌在陆地生态系统功能中发挥着关键作用，但其对气候变化响应的研究仍有欠缺。迄今为止尚未在旱地环境中对土壤细菌和真菌的多样性进行全面分析。作者为我们展示了来自除南极洲以外各大洲80个旱地的研究结果，以评估干旱变化对土壤细菌和真菌的丰度及多样性的影响。随着干旱程度的增加，土壤细菌和真菌的多样性及丰度出现降低，这些结果主要是由于干旱对土壤有机碳含量造成的负面影响。干旱条件会改变土壤细菌群落结构，绿弯菌门和α-变形菌相对丰度增加，而酸杆菌门和疣微菌门的丰度减少，实验结果与以往研究报道情况相反，土壤pH值不是细菌多样性的主要影响因素，真菌群落以子囊菌为主。研究结果填补了我们对陆地生态系统土壤微生物群落的认识。
原名：Increasing aridity reduces soil microbial diversity and abundance in global drylands
译名：干旱环境降低全球干旱地区土壤的微生物多样性和丰富度
期刊：PNAS
IF：9.661
发表时间：2015年
通信作者：Fernando T. Maestre
通信作者单位：Universidad Rey Juan Carlos
实验材料选取除南极洲以外全球80个旱地样本。对样本的细菌和真菌菌群结构进行高通量测序分析，使用线性回归分析模拟干旱与细菌和真菌丰度及多样性之间的联系，进一步通过结构方程模型确定干旱对微生物丰度及多样性影响的机制。
干旱地区细菌群落以放线菌、变形菌、酸杆菌和浮霉菌为主。土壤中含量最丰富的土壤真菌来自于子囊菌门真菌，其次是担子菌门、壶菌门等。在比较不同植被土壤菌群结构差异时，观察到的主要细菌和真菌门类并不存在显著差异，因为当比较草地和林地时，其相对丰度差异小于5％。
作者使用普通最小二乘法回归模型分析土壤细菌和真菌的多样性及丰度与干旱程度之间的直接关系。另外，为了更加充分的分析采样点特点，作者将欧氏距离矩阵的主要特征向量作为这些模型的附加预测因子。干旱程度的增加与菌群多样性及丰度的减少呈线性相关（图1）。尽管酸杆菌和变形菌呈非线性关系，但土壤中的几种细菌和真菌菌群的多样性也遵循这种关系。干旱条件也影响着主要细菌菌群丰度。随着干旱程度的增加，酸杆菌的相对丰度呈线性下降（图2A），而绿湾菌门则恰好相反（图2C）。其他细菌门类与干旱呈非线性相关，在不同干旱水平时其相对丰度与研究结果一致，表明夏季干旱期间真菌的相对丰度与土壤干燥化基本保持不变（图2B和D-F）。作者发现实验结果中干旱和经纬度间很可能存在强相关性（图3A）。
图1 干旱条件与细菌和真菌的多样性及丰度间联系
图2 干旱与土壤优势细菌相对丰度的联系
考虑到已知因素对微生物丰度的影响，结果发现干旱条件通过影响土壤pH值、土壤有机碳含量和植物总盖度，间接影响土壤菌群多样性和丰度（图3C和3D）。有机碳含量对细菌和真菌的多样性及丰度有着直接影响，并且对细菌的影响能力最强。这些结果表明土壤碳含量是土壤细菌和真菌多样性的主要影响因素。平均昼夜温度范围（MDR）对细菌和真菌丰度的负面影响可能是由于（1）温度快速变化会导致相关生理压力的增加;（2）MDR对植物总覆盖的负面影响，使其减少向土壤中输入的有机碳。作者研究结果表明，土壤pH值作为以往研究报道的主要诱因，其并不适用于土壤pH值大于6.5的干旱地区。土壤pH值与真菌多样性呈负相关，与其他研究结果一致，表明在考虑到其他环境因素影响后土壤pH值与真菌丰度呈负相关。
图3 土壤细菌和真菌的结构方程模型及标准化总效应
研究结果表明，干旱的增加可能会降低全球干旱地区土壤细菌和真菌的丰度及多样性，并可能会改变土壤细菌群落结构。通过实验结果证实以往的预测具有一定的不确定性，而这并不能完全解释说明人类活动和其他气候变化因素的影响，这些影响可能会随着干旱逐渐发生变化。
干旱程度的增加会减少干旱地区土壤细菌和真菌的多样性及丰度。这些现象主要是由于干旱增加导致的土壤有机碳含量减少，随着昼夜温度变化微生物丰度降低。土壤pH值影响真菌的丰度和主要细菌门类的相对丰度，但对土壤细菌的多样性并没有影响，实验结果与以往全球陆地生态系统调查报告结果不同，旱地土壤中的真菌群落以子囊菌门为主。这些发现为我们揭示了旱地土壤微生物群落的特征。
该篇文章刷新了全球干旱地区微生物群落记录信息。研究结果填补了人们对全球干旱地区微生物群落结构认识的空白，并为土壤微生物群落对气候变化做出的反应提供更多见解。同时确定了土壤碳含量及其动态预测的重要地位，也让之后的研究者对干旱条件、土壤有机碳含量和微生物群落之间的联系有了更加清晰的认识。