编译：环境微生物学Rivc，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
导读
树木砍伐是全球关注的问题，主要原因通常不明。氮（N）的波动与酸化化合物之间的复杂相互作用已被提出，是造成养分失衡和降低橡树抗逆性的因素。微生物对于调节植物可用的土壤氮至关重要，但对于土壤氮循环与树木健康之间的关系知之甚少。
本文结合高通量测序和qPCR分析关键的硝化和反硝化作用的基因，并结合土壤化学分析ammonia-oxidising细菌(AOB),古生菌(AOA)及土壤反硝化微生物与有症状(衰退)和无症状(健康)橡树(Quercus robur 和 Q. petraea)的相关性。无症状树与较高的AOB丰度相关，而AOB的丰度由土壤pH值正向影响。在AOA丰度与树木健康之间未发现任何关系。但是，较低浓度的NH4+驱动了AOA的丰度，这结果表明AOA偏爱较低的土壤NH4+浓度。反硝化微生物的丰度主要受土壤碳氮比及其与AOB的相关性影响，无论树木是否健康。这些发现表明，通过平衡C：N来改善土壤酸化作用可能会影响AOB的丰度，从而推动N转化，从而减少橡树衰退的压力。
原名：Relationships between nitrogen cycling microbial community abundance and composition reveal the indirect effect of soil pH on oak decline译名：氮循环微生物群落丰度与组成的关系揭示了土壤pH值对橡树衰退的间接影响
本研究是在英格兰的七个以橡树为主的阔叶林地中进行的，那里同时存在着衰退的橡树（有症状）和非衰退的（无症状）树（图1）。土壤样本取自土壤剖面顶部0-20厘米处，三个均匀间隔的土芯，距每棵树的基部2米。在所有取样的地点，降雨都发生在取样前一天或取样期间。在七个研究地点共收集了420个土壤样本。后续分别进行土壤化学与硝化潜力分析，氮循环基因的qPCR和扩增子测序，包括（amoA AOB, amoA AOA, nirS and nosZ），及测序组装与分析。
图1 本研究中七个林地的位置，采样时间为2016-2017年
1 土壤化学特性和硝化潜力率
这七个地点的土壤都是高度不均匀的。在整个站点中，pH值范围从Winding Wood的酸性较高的土壤（pH 3.6至7.6）到Langdale的酸性较小的土壤（pH 4.7至8.3；表1）。比较NH4 +浓度时，无论树木的健康状况如何，Langdale和Attingham的NH4 +浓度均高于Speculation，Chestnuts和Bigwood。这样可以分为两类清晰的地点：（1）铵含量高的地区，以及（2）铵含量较低的地区。与Bigwood, Chestnuts andSpeculation相比，Attingham，Great Monks Wood和Langdale的NO2- + NO3-浓度较低，（表1）。
表1 不同研究地点与树木健康状况相关的土壤化学性质
2 土壤参数和氮循环基因与树木健康的关系
AOA的amoA基因的丰度范围为2.6×101至1.4×105拷贝/克干重土壤，在Chestnuts, Bigwood 和Speculation发现的丰度最高，而AOB amoA的基因丰度范围为3.1×101至4.1×105拷贝/克。在Winding Wood和Great Monks Wood发现的AOB丰度最高（图2）。同样，硝酸盐还原酶（nirS，nirK）和一氧化二氮还原酶（nosZ）基因的丰度在各个位点之间也有显着差异（P <0.001）（图S1）。 nirS基因的丰度范围为1.4×103至8.4×105拷贝/克，nirK基因的范围为2.7×102至8.7×105拷贝/克，nosZ基因的丰度范围为1.1×103至2.2×107拷贝/克（图S1）。利用SEM模型拟合，非显着P值显示，无症状树与AOB amoA基因丰度相关性比有症状树高。AOB amoA基因的丰度由pH驱动，在较高pH的土壤中丰度增加（图3）。相反，AOA amoA丰度与树木健康之间没有关联。AOA的丰度主要是由土壤NH4+浓度驱动的。大量的反硝化基因与土壤参数相关联，但与树木健康状况无关。C/N被证明是亚硝酸还原酶基因丰度的直接主要驱动力（图3）。硝酸还原酶基因nirS和nirK彼此之间以及与一氧化二氮还原酶基因彼此之间呈高度正相关。此外，发现AOB与nirS，nirK和nosZ呈正相关。土壤参数彼此相互关联，进一步证明了土壤，微生物群和树木健康之间的复杂关系。土壤pH值很大程度上受C/N的影响，其中NO2-和NO3-和NH4+之间直接负相关。水分对NO2-，NO3-，NH4+和总碳有直接的正相关。而总碳与NH4+正相关，这表明水分和总碳都参与了影响NO2-和NO3-和NH4+浓度的有机质的矿化作用（图3）。除了与pH呈正相关关系外，还发现水分还可以积极推动硝化作用的潜力。
图2 七个林地中与有症状和无症状橡树相关的AOA和AOB氨单氧化酶(amoA)基因丰度
图3 结构方程模型的路径图，显示土壤非生物变量和氮循环微生物群落对树木健康状况的显著直接和间接影响
3 树木健康有关的AOB和AOA氨单氧合酶(amoA)的比率
SEM模型确定了树木健康状况与AOB丰度之间的关联，但没有确定与AOA的关联，因此我们进一步研究了每个地点上AOB：AOA比率与树木健康状况之间的关系。但是AOB：AOA比率根据树木的健康状况总体上无显着差异（P = 0.21）。相反，树木健康状况与AOB：AOA比率之间的关系是针对特定地点的。Attingham的AOB：AOA比率（93％）明显高于有症状的树木。一般而言，WindingWood, Langdale, Great Monks Wood 和 Attingham的AOB：AOA比例最高，而比Bigwood,Chestnuts Wood 和 Speculation的AOA：AOB比例更高（图S2）。如SEM分析所示，我们发现pH值的升高显着提高了AOB：AOA的比例，尤其是在Bigwood。
4 微生物群落组成
在无症状树的土壤中，Proteobacteria（41％），Acidobacteria（34％）和Actinobacteria（20％）最丰富，占总细菌群落的95％。在有症状树的土壤中观察到了类似的模式，其中细菌杆菌（40％），酸性细菌（37％）和放线菌（17％）最丰富，占细菌总数的94％。在有症状树木和无症状树木的土壤中，硝化螺旋藻（一种含有亚硝酸盐氧化细菌的门）占细菌总数的0.02％。在细菌群落中，在无症状和有症状树木的土壤中发现了与硝化有关的五个属（硝化螺菌，硝化细菌，硝化球菌，硝化球菌，硝化螺菌）。这些属共同占总细菌组成的0.8％，根据树木的健康状况，其多样性或相对丰度没有差异。有症状或无症状树木的土壤之间，古细菌门的成分没有显着差异，并且以丘陵古毛藻和毛状古毛藻为主（介于57–58％和25–27％之间）。在地点上，都发现了氮循环古细菌，包括：亚硝基球菌（56–57％），嗜热菌（25–26％），嗜热菌（6–7％）和Woesearchaeota Incertae Sedis AR16（4– 5％）。在无症状和有症状的树下土壤中也发现了硝化亚硝基球菌（占57％）和亚硝基闪藻（占0.8％）。古细菌类甲烷微生物（Phylum Euryarchaeota）根据树木健康状况在相对丰度上存在明显差异，尽管在古细菌种群中只占很小的一部分。
5 氨单氧合酶(amoA)基因组成
利用Bray–Curtis分析，OUT群落显示出不同的模式（图4A），与其他六个地点相比，Langdale包含不同的AOB组成。各个站点的树木健康状况和OTU发现了显着差异。在Winding Wood（P = 0.02）的有症状树木相关土壤中发现了较高的OTU丰度，而在Great Monks Wood和Speculation中，它们的丰度明显更高。发现了与未培养的amoA细菌也具有高度序列相似性的OTU（P = 0.006）。绘制针对pH值差异的微生物差异图，发现pH值差异与微生物组成的变化相关（图4B）。
图4 各站点氧化氨和氧化亚氮还原菌群落组成及土壤pH值
6 反硝化基因组成
过滤后，在七个树林中获得了1135个一氧化二氮还原酶（nosZ）OTU和146个(nirS) OTU。Permanova分析表明，nosZ和nirS群落在有症状和无症状的树木之间均没有明显的组成差异（图4C）。对于nirS群落，没有一个测量的土壤参数显示出与群落组成的任何关系，表明空间变量和其他未观察到的土壤变量驱动了nirS的组成。
7 系统发育分析
AOB amoA基因的系统发育分析表明，Nitrosospira sp跨位点的AOB amoA基因库占主导地位（图S3）。大多数OTU与Nitrosotalea sp。聚在一起。通过对反硝化微生物和亚硝酸还原酶（nirS）基因测序的分析，确定了两个假单胞菌（Pseudomonas sp。）组成的OTU具有97％的相似性。其他OTU显示与固氮螺菌菌种有一定的相关性。未培养细菌nirS基因克隆分组的位点恢复的大多数序列（图S5）。同样，一氧化二氮还原酶（nosZ）基因分析确定了两个与Bradyrhizobium sp相关的进化枝。
在这项研究中，我们解开了与无症状和有症状下降的橡树相关的土壤中AOB，AOA与反硝化群落之间的相互作用。这是第一项对温带森林土壤参数，N循环微生物群落和树木健康之间的相互作用提供全面，空间复制的见解的研究。我们的研究提供了新的经验证据，即无症状橡树与AOB amoA基因丰度增加有关，而这又受土壤条件（特别是pH）的调节。众所周知，土壤pH是影响氨氧化器群落形成的重要因素。AOB（不是AOA）与土壤pH呈正相关。在这里，发现土壤pH值是AOB丰度的关键驱动因素，这表明土壤pH通过支持AOB丰度并因此支持AOB驱动的氨氧化而对树木健康产生间接影响。但是，底层pH值在塑造氨氧化器群落中的作用机制很复杂，因为直接和间接的影响因素会影响土壤pH值，包括潜在的地质，植物种类和人为干扰。尽管这项研究表明树木健康状况与pH值之间没有直接的显着关系，但它表明氨氧化剂的丰度，特别是AOB，可能代表了土壤状况与树木健康状况之间的新型间接联系，支持了我们的假设，即树木健康状况与土壤状况共同影响着树木的健康状况。土壤氮循环微生物群落。最近的研究表明，维管植物可以通过强调影响周围土壤微生物的不同植物类型或功能属性的作用来调节AOB的丰度。我们观察到有症状和无症状树木之间的AOB丰度差异可能是由于树木对周围土壤环境的影响。支撑较大树冠的健康树木与落叶树木相比，可产生更高的凋落物，较低的土壤温度和较高的有机质。因此，健康树木的大树冠可以改善土壤湿度条件和矿化速率，支持更高的pH值范围，并由此扩展AOB丰度。另外，树皮的pH值也可能通过茎流影响靠近树干的土壤的pH值。AOB在Winding Wood，Great Monks Wood，Attingham和Langdale占主导地位，而AOA在Speculation，Bigwood和Chestnut占据主导地位。没有发现AOA丰度与树木健康之间的关系，有症状和无症状树木之间的AOB：AOA比率也没有任何差异。取而代之的是，AOA的丰度是由各个站点中较低的NH4+浓度驱动的，从而进一步支持了NH4+浓度在AOA和AOB的生态位分化中的作用。AOB和AOA丰度主要与不同的环境因素（分别为pH和NH4+浓度）有关的发现也解释了树木健康状况与AOB：AOA比率之间缺乏关联。虽然树木的健康状况可能会间接影响某些当地的土壤状况（例如，pH值，如上所述），但其他状况可能会根据更大的空间尺度因素（例如潜在的地质或土壤类型）而有所变化。因此，树木的健康状况不太可能影响AOB：AOA比率，因为这两个进化枝对不同的环境轴有不同的响应，而环境轴心本身受树木健康状况的影响也不同。
你可能还喜欢
2019年度回顾 | 微生态环境微生物类微文大合辑
2019年度回顾 | 微生态人体/动物微生物类微文大合辑
2019年度回顾 | 技术贴合辑大放送
