编译：独世，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
森林演替是植物群落的主要驱动力，而了解演替对于森林恢复至关重要。本研究中，我们基于Illumina MiSeq结合原核生物分类功能注释（FAPROTAX）研究了由松枯病引起森林演替中三种森林类型的细菌群落动态，分别是初始的针叶林，演替过程中的针/阔叶混交林以及最终的阔叶林。
结果表明，初始演替后土壤pH，有机碳含量（SOC）和总氮（TN）含量增加，且不同森林类型的土壤pH、SOC和TN含量均存在差异。混交林中细菌生物量显著增加（P <0.05），而演替过程中的总微生物量没有差异。在演替过程中，细菌群落的多样性和丰富度显著增加（P <0.05）。在整个演替过程中，变形菌门，放线菌门，酸杆菌门和拟杆菌门是最主要的门，当演替发生后，拟杆菌门的丰度显著增加（P <0.05），浮霉菌门、WPS-2和Burkholder的丰度显著下降（P <0.05）。在演替过程中，三种森林类型形成了不同的细菌群落结构（P <0.05），而功能结构只形成了两个聚类，其中混交林和阔叶林之前没有差异。在初始针叶林中，参与碳循环的主要功能基团被随后的氮循环和硫循环相关的基团逐渐取代。土壤pH，TN和SOC是演替过程中影响细菌群落和功能结构的最重要因素。这些结果表明，细菌群落和功能在演替初期发生了剧烈变化，体现了演替引起的生态环境的变化。
原名：The response of the soil bacterial community and function to forest succession caused by forest disease译名：土壤细菌群落和功能对森林病害引起的森林演替的响应本研究选择了位于中国南京紫金山公园（北纬32°16′15′′，西经118°48′00′′）中的三种森林类型，即针叶林（P. thunbergii Parl，PPF），松木和阔叶混交林（P. thunbergii Parl + L. formosana Hance，MPF：MLF=1：1.7）和阔叶林（L. formosana Hance，PLF），彼此间隔500 m。每种森林类型选择了三片树林，每片树林大小为50×80 m，彼此间隔50 m。在纯种森林中，我们随机选择了每片树林中的五棵P. thunbergii Parl或L. formosana Hance树。在混交林中选择了五棵P. thunbergii Parl和L. formosana Hance树。去除凋落物后，在距离树1m距离的120°的三个方向上，于0-10 cm的深度处收集了三个土壤子样本，并混合成为一个样本，总共得到60个样本（2×15个样本/每个纯林+ 30个样本/混交林）。将土壤样品放在冰上并送到实验室，去除杂质（石头，垃圾，植物根）后，将每个样品又分为两个子样品。将一个子样品储存在-20°C以便进一步提取DNA，将另一个子样品立即风干以测定土壤的理化性质，包括土壤有机碳（SOC），土壤总氮（TN），土壤水分的含量（SM），微生物生物量碳（MBC）和土壤pH值。
1 森林演替过程中土壤理化性质，微生物量和细菌生物量的变化
在森林演替过程中，所测土壤理化性质的含量均增加（表1）。不同森林类型土壤有机碳（SOC）含量，土壤总氮（TN）含量和pH值存在差异（表1）。混交林（MPF和MLF）的土壤有机碳含量均显著高于针叶林和阔叶林（P <0.05）。阔叶林（PLF和MLF）下的土壤氮含量显著高于针叶林（PPF和MPF）下的土壤（P <0.05）。PPF位点的土壤pH显著低于与其他位点的土壤（P <0.05）。三种森林类型之间的土壤水分（SM）和土壤微生物生物量碳（MBC）没有差异。此外，混交林MPF和MLF之间测得的土壤性质（总氮除外）没有差异。MPF中的细菌生物量显著高于PPF和MLF（P <0.05，表1）。土壤总氮含量和细菌生物量之间呈现负相关（R2 = -0.275）。
2 森林演替过程中细菌群落多样性
不同森林类型之间的细菌群落丰富度（Chao1），α-多样性（Shannon）和均匀度（Shannon均匀度）指数均不同。针叶林（PPF）丰富度（2989±572），多样性（6.25±0.18）和均匀度（0.81±0.15）最低，显著低于混交林（MPF和MLF）和阔叶林（PLF）（P <0.05）（图1）。然而，混交林MPF和MLF之间多样性指数没有差异。
图1 森林演替过程中针叶林（PPF），混交林（MPF和MLF）和阔叶林（PLF）的细菌群落丰富度（a），α-多样性（b）和均匀度（c）。
3 森林演替过程中细菌群落的门/属组成
森林演替过程中，变形菌门、放线菌门、酸杆菌门和拟杆菌门是最主要的门，其中某些细菌门的丰度发生了变化。针叶林（PPF）位点的浮霉菌门和WPS-2的丰度最高，随着森林演替的发生，其丰度显著降低（P <0.05），而拟杆菌门的丰度则显著增加（P <0.05）。阔叶林（PLF）和混交林（MLF）中的每个细菌门都表现出相似的丰度。针叶林（PPF）位点的浮霉菌门，酸杆菌门和WPS-2的丰度显著高于阔叶林（PLF）（P <0.05），而拟杆菌和绿弯菌门则显著低于阔叶林（PLF）（P <0.05）（图2a）。
从属水平来看，森林演替过程中丰度最高的属是Gaiella、伯克霍尔德菌属和黄杆菌属等。针叶林（PPF）位点的伯克霍尔德氏菌和Roseiarcus的丰度最高，随着森林演替的发生，其丰度显著下降（P <0.05）（图2b）。伯克霍尔德菌属，苯基杆菌属和Roseiarcus在针叶林（PPF）位点具有较高的丰度（P <0.05），而分枝杆菌属在阔叶林（PLF）位点具有较高的丰度（P <0.05）（图2b）。
图2 森林演替过程中针叶林（PPF），混交林（MPF和MLF）和阔叶林（PLF）中前10个最丰富的细菌门（a）和属（b）。
4 森林演替过程中细菌群落的OTU组成
从OTU水平来看，三种森林类型共享了44.7%的OTUs（5740个OTU）（图3）。针叶林（PPF）和混交林（MPF）共享OTU的数量最少（55.4％），而混交林中的MPF和MLF共享OTU的数量最多（74.3％）。阔叶林（PLF）和混交林（MLF）共享了73.9%的OTUs。此外，针叶林（PPF）特有的OTUs（1.8％）数量最多（图3）。
CAP分析表明，针叶林（PPF），混交林（MPF+MLF）和阔叶林（PLF）形成了独特的细菌群落结构（图4a）。PERMANOVA分析证实不同森林类型的细菌群落之间存在显著差异（P <0.05）。然而，混交林MPF和MLF的细菌群落结构之前没有差异。
图3 维恩图显示了森林演替过程中针叶林（PPF），混交林（MPF和MLF）和阔叶林（PLF）中特有和共享的OTU。
图4 主坐标的典型相关分析（CAP）显示了演替过程中针叶林（PPF），混交林（MPF和MLF）和阔叶林（PLF）的细菌群落结构（a）和功能结构（b）。使用环境因子和功能类群（a）或细菌类群（b）作为解释变量。在三种不同森林类型中，参与碳、氮和硫循环的功能类群的丰度存在显著的差异（图5）。在涉及碳循环的功能类群中，针叶林（PPF）位点中芳烃降解和脂肪非甲烷烃降解的功能类群丰度最低，当森林演替发生后，其丰度显著增加（P <0.05）（图5a和b）。针叶林（PPF）中参与碳循环和细胞内寄生虫的甲烷营养功能类群较为丰富，当森林演替发生后，其丰度显著降低（图5c和d）（P <0.05）。针叶林（PPF）位点中参与氮循环的氮呼吸和几丁质分解功能类群（P <0.05）（图5e-f），以及参与硫循环的硫化合物的暗氧化（P < 0.05）（图5g）丰度最低，当森林演替发生后，其丰度显著增加（P <0.05）。此外，阔叶林（PLF）的大量功能类群（甲烷营养，亚硫酸盐呼吸作用，动物寄生虫或共生体）的丰度显著高于混交林（MLF）（P <0.05）。CAP分析表明，与其他森林类型相比，针叶林（PPF）形成了独特的功能性群落（图4b）。阔叶林（PLF）和混交林（MPF和MLF）位点的功能群落没有差异。PERMANOVA证实了两个功能群落之间的差异。
图5 条形图显示了涉及碳循环（a-d），氮循环（e-f）和硫循环（g）在针叶林（PPF），混交林（MPF和MLF）和阔叶林（PLF）存在显著差异的官能团。碳循环中芳香烃的降解（a）；芳香非甲烷烃降解（b）;甲烷营养菌（c）和细胞内寄生物（d）；氮呼吸（e）和几丁质分解（f）的氮循环；硫化合物的暗氧化过程中的硫循环（g）
6 环境因素与细菌群落以及功能结构之间的相关性
DistLM分析将土壤理化性质和功能类群作为解释变量，其结果表明，针叶林（PPF）中参与碳循环的甲烷营养菌和细胞内寄生物与其细菌群落呈显著正相关（图4a）（P <0.05）。阔叶林（PLF）的土壤pH和TN以及参与氮循环的几丁质分解，硝酸盐呼吸和氮呼吸的功能类群与其细菌群落呈正相关，而混交林中涉及硫循环的SOC和硫化合物的暗氧化的功能类群与其细菌群落呈正相关（图4a）。
DistLM分析表明混交林和阔叶林（PLF）中土壤pH、TN和SOC以及酸杆菌门、绿弯菌门、拟杆菌门和分枝杆菌门与其细菌功能结构显著相关（图4b），针叶林（PPF）中的WPS-2、浮霉菌门、苯基杆菌属、伯克霍尔德菌属和Roseiarcus与其细菌功能结构显著相关。
我们分析了土壤细菌群落对由森林病害引起的森林演替的响应，从最初的针叶林，演替过程中针/阔叶混交林到最终的阔叶林。混交林的土壤细菌生物量显著高于其他森林类型。这是由于凋落物的输入，从针叶林转变为阔叶混交林可以增加更容易获得的养分含量，从而增加了细菌生物量。此外，不同森林类型地微生物总生物量在演替过程中没有差异，表明在演替过程中真菌和细菌之间发生了变化或相互作用。因此，进一步研究演替过程中微生物相互作用的动力学是十分必要的。与针叶林或阔叶林相比，混交林中的凋落物可促进微生物降解，导致土壤有机碳增加。此外，次生植物在演替过程中生长更快，消耗更多的养分，包括SOC，这可能导致阔叶林中SOC降低。在演替过程中，细菌的多样性、丰富度和均匀度显著增加。土壤细菌对土壤pH十分敏感，较低的土壤pH可以抑制细菌的酶和代谢活性，不利于细菌的生长；反之，较高的土壤pH有助于释放可溶性有机物，从而有利于提高细菌多样性。此外，土壤pH还可以通过影响其他共同变化因素（例如养分利用率）从而间接影响细菌多样性。凋落物输入的质量和数量都会显著影响土壤pH。据报道，针叶树的凋落物比落叶树的凋落物具有更高的酸性。与针叶林相比，阔叶林中的凋落物存在更多的可交换阳离子，例如Mg2+和Ca2+，这可能提高土壤缓冲能力和土壤pH。在从针叶林到阔叶林的森林演替过程中，凋落物输入的变化也可能是土壤pH升高的重要原因。一些研究指出，森林中（如针叶林）的低质量凋落物（例如高木质素：氮）通常会产生更多的以真菌为主导的群落。演替过程中三种森林凋落物质量的差异可以解释针叶林的细菌生物量和多样性最低。变形菌门、放线菌门、酸杆菌门和拟杆菌门是本研究中的优势菌群，这与先前的研究结果一致。在森林演替过程中，浮霉菌门和WPS-2的丰度显著下降，而拟杆菌门则持续增加。WPS-2的成员更加喜欢氧气丰富且土壤pH低的酸性生境。拟杆菌门的丰度通常也与土壤pH呈正相关。与混交林和阔叶林相比，最初的针叶林中土壤有机质（如针叶）较为顽固，且凋落物输入较少，从而导致土壤pH降低且氧气含量充足。拟杆菌门和WPS-2优先选择具有不同养分利用率（例如SOM）或土壤pH的生态位，这可能是森林演替过程中其丰度差异的重要原因。由于L. formosana（PLF）与丛枝菌根（AM）真菌形成关联，而P. thunbergii与外生菌根（ECM）形成关联，因此L. formosana比P. thunbergii能更有效地获取磷。浮霉菌门是一种生长缓慢的细菌，不利于与植物争夺养分，尤其是磷。演替后期L. formosana的快速生长可能比P. thunbergii需要更多的养分，这可以部分解释了由于养分竞争浮霉菌门丰度减少的原因。伯克霍尔德氏菌属成员偏爱酸性生境，其在酸性和营养贫瘠的森林中丰度很高。最初的针叶林（PPF）中较低的土壤pH可能有助于提高伯克霍尔德菌的丰度。此外，随着土壤中养分供应量的增加，伯克霍尔德氏菌成员正努力适应缺乏竞争力的环境。混交林和阔叶林中凋落物输入的增加也可能解释了演替期间伯克霍尔德氏菌丰度下降的原因。最初的针叶林特有的OTU数量最多，与混交林共享的OTU数量最少，这表明在演替开始后细菌群落快速发生变化。先前的研究表明，细菌群落对干扰的反应比真菌更快。干扰可能会增加生物群落之间的相似性，因此，混交林和阔叶林中特有的OTU数量较少，可能是由于演替导致土壤中微生物群落的均质化。演替过程中的三种森林类型形成了独特的细菌群落，反映了土壤细菌群落对地上植变化的响应。值得注意的是，混交林中P. thunbergii和L. formosana的土壤细菌群落结构没有差异。通常，树木种类的差异通常会导致土壤群落结构的变化，而这种变化的很大一部分原因是由于凋落物输入的差异。另一方面，在针/阔叶混交林中凋落物的存在可以导致不同树种之间产生相似的微生物群落结构。从功能上讲，最初的针叶林（PPF）中参与碳循环的甲烷营养功能类群的丰度最高。由于凋落物输入的巨大变化，用阔叶树替代针叶树很可能促进厌氧环境。先前的研究表明，厌氧环境可以提高硝化和反硝化细菌的活性，其中由于缺氧和大量NO2-离子的产生，甲烷的氧化可能会受到抑制。本研究中，芳香烃降解和脂肪非甲烷烃降解功能类群的丰度随着最初的演替发生而显著增加，这与先前的发现一致，即由凋落物变化引起的微生物群落的变化会影响SOC的化学稳定性（例如烷基，氧-烷基，芳香族和羰基碳）。微生物可以通过增加土壤中养分的生物利用度来促进植物生长，其中有机氮和硫可以通过微生物解聚和矿化转化为更多的无机氮和硫。演替过程中硝酸盐和氮呼吸（氮循环）以及硫化合物的暗氧化（硫循环）功能类群丰度的增加可能是因为L. formosana快速生长所需要的营养条件。相关分析证实，在原始的针叶林中，碳循环中的主要功能类群在演替过程中逐渐被氮循环和硫循环中的功能类群所取代。虽然最初的针叶林形成了特有的功能结构，但随后的混交林和阔叶林却没有形成特有的功能结构，尽管这两种森林类型细菌群落结构存在显著的差异。这可能由于微生物功能的冗余，细菌功能的改变不一定反映群落的变化，同时细菌群落对森林演替的反应在分类和功能水平上可能有所不同。在演替过程中，土壤pH是细菌群落和潜在功能的最重要驱动力，这与以前的研究一致。土壤TN和SOC也是驱动细菌群落和潜在功能变化的重要因素。土壤的pH可以用作矿物质营养的替代指标。阔叶林和混交林的土壤pH，SOC和TN与其细菌群落呈正相关，这表明森林演替通常伴随着养分循环的加速。土壤特性作为解释变量均与细菌群落或功能结构相关，这突出了环境因素对演替过程中微生物群落结构塑造的重要性。
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