科研 | Nature：地球表层土壤微生物群落的结构和功能
本文由殷继忠编译，董小橙、江舜尧编辑。
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土壤拥有地球上最多样化的微生物群落，由此一直备受学者关注。作者研究发现温带地区的细菌多样性最强，微生物组成会受到环境变量的严重影响。表土和海洋生境中细菌与真菌的拮抗作用彰显了生物相互作用在塑造微生物群落中的重要地位。同时，竞争和环境因素会影响细菌与真菌群落的丰度、组成和编码基因等一系列功能，对全球养分循环贡献也就略有差异。
论文ID
原名：Structure and function of the global topsoil microbiome
译名：全球表层土微生物群落的结构和功能
期刊：Nature
IF：40.137
发表时间：2018年
通信作者：Mohammad Bahram
通信作者单位：塔尔图大学生态地球科学研究所
实验设计
实验流程图
实验内容
虽然对土壤微生物的研究已经逐渐深入，但探究全球范围和生物相互作用对微生物生物地理学的影响仍然稍显欠缺。作者使用宏基因组学、DNA宏条形码技术、土壤化学和生物量评估等方法来确定189种表土样本中生物和非生物因素对遗传与系统发育等功能的影响。细菌的门类和基因功能多样性在中纬度地区达到峰值并向极地和赤道逐渐降低，这与海洋生境中表现一致（图1a，c）[1]。研究发现纬度多样性梯度适用于真菌的整体多样性，但并不适用于真菌功能多样性。真菌功能多样性在温带最低，并且与纬度变化呈现相反关系。虽然真菌多样性向极地逐渐下降，但真菌总生物量和真菌/细菌生物量比率向极地逐渐增加，其中部分原因是由于随着纬度的增加细菌生物量出现了下降趋势。
在细菌中，环境变化与门类组成表现出强相关性，与基因功能组成呈中度相关，而样本间地理距离的总体影响可忽略不计，该结果证实环境变量在确定土壤细菌及其编码功能的全球分布方面比地理距离更加重要[2,3]。编码几种代谢和运输途径的基因相对丰度随着pH的增加而增加，这表明在高营养和碱性条件下对细菌的这些功能可能有更大的代谢需求。对比细菌，真菌需要使用特定化合物作为底物和能量需求较大，因此真菌的全球分布会受资源可用性的限制，这使得真菌与细菌在不同地区的表现存在差异。真菌在高纬度地区的比例增加可能是由于竞争优势所致。
图1 真菌和细菌多样性在纬度梯度上呈现出差异模式
通过模型分析可以得知土壤碳氮比和水分是影响细菌与真菌丰度的主要因素，进而会影响全球范围内抗生素抗性基因的相对丰度（图2c）。随着竞争环境中抗生素的增加，土壤碳氮比则成为了真菌功能基因丰富度和活性酶基因的最佳预测因子。抗生素抗性基因与变形菌门的相对丰度呈强正相关性。变形菌门的每个基因组中抗生素抗性基因的平均数在细菌各门类中数值最高（图3a，b）。通过研究猜测生物体和抗生素抗性基因丰度之间的关系可能是抗生素对细菌的选择性或抑制性作用的结果。
图2 抗生素抗性基因的全球相对丰度可以通过生物与非生物因素综合说明
图3 真菌是土壤和海洋中抗生素抗性基因相对丰度的主要决定因素
作者对来自塔拉海洋项目的139个水样的抗生素抗性基因分布重新分析后发现了海洋中真菌和细菌之间拮抗作用的证据：原生藻类卵菌纲和真菌壶菌门构成了与细菌抗生素抗性基因的相对丰度相关性最强的群体[4,5]。细菌的系统发育多样性与海洋样本中抗生素抗性基因的相对丰度呈显着负相关。来自这些不同栖息地的结果一致表明，与养分供应和气候因素相关的资源竞争在陆地和海洋生态系统中均会引发真核-细菌的拮抗作用。
实验结论
研究结果表明，环境因素和生态位分化决定了全球土壤微生物组成。土壤细菌和真菌的全球分布与土壤pH和降水密切相关。作者实验数据进一步表明，细菌与真菌的拮抗作用在构建微生物群落中也极为重要。影响细菌/真菌丰度比的环境变量可能会对微生物相互作用产生影响，并可能有利于真菌或细菌驱动土壤养分循环。
点 评
全球气候变化可能会对细菌和真菌群落组成及其功能潜力产生不同影响，因为酸化、氮污染和降水变化都会对表土细菌和真菌丰度、多样性和功能产生影响。因此研究过程一定要做到合理取样，空分考虑外部因素，通过合理的实验设计确保实验结果的可信度。为方便大家共同探究提供了一定的理论依据。评价仅属小编的个人看法，欢迎大家一起讨论。感谢大家多提意见，提携小编进步。