科研 | 温带雨林土壤中有关DOC、CO2和CH4通量的活性微生物种群的季节和生态水文调控
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北美太平洋沿岸温带雨林（PCTR）作为全球碳循环和排放的热点，然而，在PCTR土壤中微生物对碳循环过程的影响还不清楚。基于216个土壤DNA和RNA文库，作者通过整合了地球化学、微气象学、真核生物和原核生物核糖体（rRNA）序列，建立并考察了PCTR土壤中季节微生物碳循环的概念模型。土壤水分和pH随着雨季的到来而增加，并与泥炭沼泽中的CO2净通量和沼泽森林土壤中的CH4净通量表现出显著相关关系。这些位点的真菌序列被鉴定为是Archaeorhizomycetes系统型的明显更替，其数量占文库的41%。在雨季，rRNA文库中的厌氧原核生物（包括Syntrophobacteraceae以及Methanomicrobia）有所增加。rRNA和宏转录组网络分析表明，这些系统类型的活性群体及其硫酸盐循环和CH4循环的生物地球化学标记基因分别与rRNA和Metatrcriptomic网络分析呈正相关。
论文ID
原名：Seasonal and ecohydrological regulation of active microbial populations involved in DOC, CO2, and CH4fluxes in temperate rainforest soil
译名：温带雨林土壤中有关DOC、CO2和CH4通量的活性微生物种群的季节和生态水文调控
期刊：The ISME Journal
IF：9.520
发表时间：2018年
通信作者：William W. Mohn
通信作者单位：University of British Columbia
实验内容
1 雨季期气态碳通量与土壤水分、pH值以及有效养分的增加的有关。
出现了几个相互关联的季节土壤微气象和地球化学趋势，这些趋势前瞻性地与微生物群落结构和功能的变化有关。高降水提高了土壤水位（图1c）。2015年干湿季节间，海洋环境中的月可溶性有机碳（DOC）通量增加了大约0.5-3.35g m−2（图1b）。
图1 温带雨林生态水文与季节条件。a温带雨林景观中季节和生态水文对碳通量影响的概念模型，包括碳池和净气体通量范围，为关键测量提供范围（最小到最大）。干湿期的主要变化表现为：蓝色箭头表示碳浓度或通量率；绿色箭头表示活性微生物群的相对丰度。向上箭头表示从干燥期到潮湿期的净正变化。生态水文站点对应于典型的景观位置，沼泽森林占据了排水不良的山坡，而贫营养泥炭地占据了较高坡度的平地；b邻近7个流域平均每月平均DOC流量6.7km2；c土壤微气候变量：采样时月平均气温，空气温度；平均月雨量，抽样调查时的24小时雨量；平均月地下水位（WTD），取样时水深（WTD）；d土壤化学变量，它没有由深度和生态水文提供的显着季节变化分量，具有显著季节效应的变量作为三个深度的平均值；e混合室内土壤CO2和CH4通量。灰色样品代表与土壤微生物取样相对应的样品，ANOVA分析后的P值用星号表示每个日期或深度的沼泽森林和泥炭沼泽地点之间的差异（* p<0.05）。
土壤的pH值从2015年7月23日的3.35±0.04上升到2016年2月28日的4.61±0.03，湿润期水位升高可能是造成土壤pH值变化的重要时间因素之一（68.1%，p=0.001）（图2），在厌氧条件下，可能是通过酸性DOC的去除或耗尽电子受体来实现的。土壤pH值是微生物群落结构的主要驱动力，缓解酸性森林土壤中pH相关的胁迫可以迅速促进蛋白质的合成和生长、微生物DOC代谢以及土壤细菌呼吸速率。增加pH值可以反作用地增加酸性土壤中的NH4-N浓度。本研究中，NH4-N的浓度在不同的日期间也不同（19.4%，p=0.02）（图1d）。在这些土壤样本中，净CO2通量在2016年2月在沼泽林区达到2.1±0.17 mg CO2-C m−2h−1的峰值，比2015年7月23日的增长率高出132.0%（图1e）。基于线性混合效应方差分析（lme）（p=0.0004）和典型变异划分（57%，p=0.002）分析发现，土壤CO2净通量在各日期间有显著差异（图2）。2018年雨季期内还观察到较高的CO2净通量率（图1e）。泥炭沼泽土壤CH4净通量在2016年2月最高，为0.01±0.011 mg CO2-C m−2h−1。沼泽森林的甲烷净吸收量在2015年7月23日至2016年2月28日之间增加了611.6%。2017年和2018年的额外气体流量分析表明，CO2和CH4通量变化很大，这些年雨季的流量比2016年晚，而N2O通量一般最小。
图2 沼泽森林和泥炭沼泽地区土壤化学、微气候、土壤水中可溶性有机碳和温室气体通量按日期、地点和深度以及相互作用项测量的典型变化。FDR调整后的p值在部分回归后以星号表示（*代表p<0.05）。
不同生态水文站点的净气体通量似乎受到不同因素的影响。沼泽森林CO2通量变异度可以由pH（28.8%，p=0.001）和氧化还原电位（3.4%，p=0.038）来解释，泥炭沼泽CO2通量变异度以土壤水分（65.0%，p=0.001）、总碳（16.5%，p=0.001），速效磷（5.2%，p=0.001）以及硝态氮（4.2%，p=0.007）进行解释（图S6a）。沼泽森林CH4通量变异度可以通过pH（36.7%，p=0.001），NO3-N（2.5%，p=0.047），泥炭沼泽CH4通量变化由土壤水分（45.8%，p=0.001）、地下水位（12.3%，p=0.002）进行解释（图S6b）。这些数据表明沼泽地的功能变化是由于pH造成的，泥炭沼泽地的功能变化是由于水文学引起的，营养物质的有效性影响很小。
图S6 沼泽森林和泥炭沼泽区土壤净N2O通量及其变化来源。a 净N2O通量率与以灰色突出显示的微生物取样日期相对应的值。值和误差条分别显示平均误差和标准误差（n=3）。b 规范变异分区分析，如补充图6所示。
2 rRNA文库中的微生物群落在不同季节随微气候和养分有效性的变化而变化。
从DNA和RNA扩增文库推断出的微生物群落随PERMANOVA的不同而不同，细菌16S rRNA文库的差异最大（R2=0.15，p=0.001），真菌16S rRNA文库的差异最小（R2=0.001，p=0.001）。总C、有效P和NH4-N是真菌、原生动物、古菌和细菌Bray-Curtis不同矩阵回归后的重要变异源（图3）。DNA文库中的真核生物和原核生物群落结构也分别受到微气候条件和总S的影响。深度因素是所有群落类型差异的一个重要来源，其次是站点因素。
图3 在沼泽森林（TSN 2）和泥炭沼泽（TSN 3）中，Bray-Curtis的距离冗余分析（db-RDA）有关真菌ITS（a），原18S rRNA基因（b），古菌16S rRNA基因（c）和细菌16S rRNA基因（d）在DNA文库中的系统类型不同，以及真菌ITS（e），原18S rRNA（f），古菌16s rRNA（g）在RNA文库中的系统类型不同受土壤化学和气候因素的约束。P值以星号表示（*代表p<0.0 5，*代表p<0.0 1，*代表p<0.001）。TC表示总碳，TN表示总氮，TS表示总硫，CN表示碳/氮比，AP表示有效磷。
进一步了解优势微生物类群的季节动态，对优势微生物（真菌、原菌、古菌和细菌）系统类型（占序列数的66%）的变异源和环境相关性进行了测试。真菌群落由少数高度丰富的分类群组成。Archaeorhizomycetes占所有真菌总数的41%，而从10月到4月，DNA文库中的数量却减少了99.4%（图4）。季节分别解释了Archaeorhizomycetes和ArchaeorhizomycetesSH203824.07FU进化型44.1% （p=0.002）和36.2% （p=0.002）的变异度。SH203824.07FU的丰度与土壤温度呈显著正相关（r=0.54，p<0.0001），与pH呈负相关（r=0.31，p=0.002），表明对pH<4.0的生境具有适应性。rRNA库中也观察到了类似的趋势。
图4 季节和生态水文对真菌ITS和DNA文库中18S rRNA系统型丰度的影响。在沼泽森林和泥炭沼泽地区的10个最丰富的真菌系统类型和5个最丰富的原始系统类型经DeSeq 2-归一化计算。对每个系统类型进行Spearman相关与环境变量和变异划分使用偏回归分析。在Spearman相关之后，FRD校正的q值<0.1由单个星号表示。偏回归结果后的变异源按p值用星号表示（*表示p< 0.05, **表示p< 0.01, ***表示p< 0.001）。圆大小显示DNA文库中的系统型相对丰度（RA）。
在RNA文库中，丰度将较高的前24种原核系统类型中，有14种类型的丰度在雨季随pH、氮浓度和DOC浓度的增加而增加（图5）。活跃的Methanomicrobia的丰度与NH4-N的浓度呈正相关（r=0.50，p<0.0001），与CH4排出率呈显著正相关（r=0.46，p<0.0001）。无机氮对硫酸盐还原和产甲烷类群的比例增加可能表明这些类群受到直接或间接的刺激。DNA文库中的古菌和细菌系统型没有表现出明显的季节效应。相对丰度前24的系统型中只有一个受到季节的显著影响，此外，DNA文库中的细菌系统类型与氧化还原电位、CEC、CN比值和有效PO4-P呈近乎一致的正相关，支持db-RDA结果（图3）。这说明PCTR土壤的季节变化对群落的总体组成影响不大。
图5 季节和生态水文学对RNA文库中古细菌16S rRNA系统型丰度的影响。在沼泽森林和泥炭沼泽地区中4个最丰富的古菌类型以及20个细菌类型经DeSeq 2-归一化计算并显示采样时间。圆大小显示DNA文库中的系统型相对丰度（RA）。
微生物群落的网络分析可以阐明潜在的代谢相互作用或生境偏好。活跃的微生物种群“协同活动”之间的正相关并不需要生物间的相互作用，尽管它可以确定哪些生物相互作用是可能的。系统类型在深度和生态水文站点上表现出明显的聚类特征（图6）。第2簇和第6簇含有多种异养Alphaproteobacteria，Acidobacteria，Bacteroidetes，Verrucomicrobia和一些Burkholderia菌种。第3簇和第5簇由松散相关的真菌系统类型组成，包括Archaeorhizomyces，同时第5簇与有效磷呈正相关。第4簇的Enterobacteriaceae 和Clostridia与pH呈很强的正相关关系。第1簇可分为两个亚类群，分别包含两个最大的细菌种群：Beijerinckiaceae和Koribacteraceae（细菌rRNA的读取率分别为10.4%和12.5%）。
图6 RNA文库中真菌ITS、原18S rRNA、古16s rRNA和细菌16s rRNA的系统型共活动网络。节形指示分类群，颜色指示系统型地理位置偏好（生态水文和土壤最大丰度深度）。节点大小由DeSeq 2-归一化丰度计数。分析中仅包括在所有生境的DNA和RNA文库中均有发现的分类群。
作为关键土壤地球化学转化的“标志”的转录本由它们的KEGG正交（KO）数表示。通过分析，仅有11202个KOs被标注到物种水平。其中，固氮操纵子中的转录本（nifDHK）中最丰富的来自于Beijerinckiaceae的嗜甲烷菌Methylocella silvestris（n=14）、代谢多样的产甲烷杆菌Methanosarcina（n=14）和磺化菌（SRB）Syntrophobacter fumaroxidans（n=12），后者还与亚硫酸盐还原酶（dsrAB）的表达有关（n=19）。颗粒性甲烷单加氧酶（pmoABC）转录序列与α-蛋白细菌Methylocystis parvus（n = 14）和Methylosinus sp.，γ-变形菌Methylococcus capsulatus（n = 36）和Methylomonas methanica（n = 2）最接近。甲基辅酶m还原酶操纵子（mcrABGC）在Methanosarcina（n=4）和氢营养型细菌Methanocella conradii（n = 29）。反硝化作用基因（n=199）系统发育具有多样性特点。与在核糖体扩增文库中的低检测相比，发现了丰富的产甲烷菌Gammaproteobacteria的转录本。Metatranscriptomic分析以其他方式证实了主要系统类型代谢功能的假设。类似地，分类群之间的相关性（图6）反映在共表达网络中（图7）pmoABC、mcrABGC、dsrAB与反硝化基因呈极强的正相关。
图7 泥炭沼泽和沼泽林地代谢基因CH4、N和S的表达（深度：10 cm）。a 基于16S rRNA系统发育树，所选择的CH4，N，S代谢标记的系统发育分布；b 共表达网络显示标记转录本之间的相关性。
讨 论
在本研究中，作者探究了PCTR泥炭沼泽和沼泽森林土壤群落的季节响应。通过研究分析发现，真菌和原生质体的季节更替，同时与温度的降低以及降水、pH值和养分有效性的增加有关。这些生物和非生物变化似乎刺激厌氧活动，例如与净CH4通量的变化有关的SRB和产甲烷系统类型。虽然本研究没有考虑到风暴引起的微生物活性和碳通量迅速变化的潜在重要影响，但它表明，rRNA扩增子序列与rRNA基因扩增和mRNA特征相结合，可以将土壤条件和生态系统功能的季节性变化与活跃的微生物系统类型的丰富程度联系起来。此外，改变这些生物和非生物相互作用的气候模式的变化可能会改变沿海温带雨林土壤中碳（包括DOC、CO2和CH4）的去向。
评 论
北美太平洋沿岸温带雨林(PCTR)的土壤作为全球碳循环和碳排放的热点，其土壤中的微生物群落通过分解植物生物量来调节碳在沿海生态系统中的流动，但是对有关土壤中微生物对碳循环的控制却鲜为人知。为了表征原位总(DNA文库)和活性微生物(rRNA库)及其在DOC、CO2和CH4循环和排放中的作用，作者对古菌和细菌16s rRNA、真菌ITS和真核生物18s rRNA进行了序列分析，同时给予一种假设，即不同生态水文类别(泥炭沼泽和沼泽森林)的土壤条件将构成微生物群落总数(H1)；活跃的微生物种群将在不同季节对微气候变量作出额外反应(H2)；冬季期间将增加厌氧代谢过程，从而增加净CH4通量(H3)。这一研究揭示了活性微生物群落组分的结构的季节性差异，为进一步发展和评估主要的PCTR生态水文类微生物碳循环季节变化的概念模型提供数据支撑。评价仅是小编的个人看法，欢迎大家一起进行讨论。
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