科研 | ISME：土壤硝化菌群落的组成和活性对温度升高和CO2变化不敏感，但受干旱影响较大
编译：环境微生物学Rivc，编辑：小菌菌、江舜尧。
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硝化作用是氮循环的基本过程。但是，缺少有关气候变化如何影响硝化群落结构的详细信息，尤其是在同时处理多个气候变化因子的实验中。因此，我们预测土壤氮（N）循环在未来气候中将如何变化的能力受到限制。我们在草原上进行了田间试验，同时测试了大气中CO2升高，温度和干旱对活性氨氧化细菌（AOB）和古细菌（AOA），硝化螺菌和亚硝酸氧化细菌（NOB），以及总矿化和硝化速率。我们发现，氮的转化过程以及基因和转录本的丰度以及硝化菌群落组成对CO2和温度升高的独立影响和交互作用具有显着的抵抗力。然而，在干旱期间，反应速率增加了或保持不变。同时，可能由于较高的NH4+利用率而增加了活性AOB的数量。干旱引起的AOA和comammox Nitrospira均下降，并且AOA和NOB的活性群落组成也受到显着影响。总而言之，我们的发现表明，变暖和CO2升高对硝化群落和土壤生物地球化学变量的影响很小，而干旱有利于AOB并增加硝化率。这凸显了干旱作为影响土壤微生物群落结构及其对氮循环的影响的全球变化驱动力的首要重要性。
论文ID
实验设计
试验场位于奥地利施蒂里亚州农业科学研究所HBLFARaumberg-Gumpenstein（47°29′38″ N，14°06′03″ E），年平均气温为8.2°C，年平均降水量为1056 mm，该地区代表了大部分高山草原。该实验地点共有54个图，显示了三个温度水平（+1.5°C，+ 3°C），大气中的CO2浓度（环境浓度，+ 150 ppm，+ 300 ppm）和干旱的单独和综合影响。采样前8周安装了自动防雨棚（表1；图S1）。去除地上生物量后，立即使用内径为2cm的不锈钢土壤去核器，将每块地的几个（4-11）个土心取至10 cm的深度。采集石头，树根，清洗，干燥并称重，收集后直接通过2毫米筛子筛分土壤。立即将用于分子分析的新鲜土壤子样品冷冻在液氮中。将剩余的新鲜土壤运至实验室。通过烘箱干燥（105°C，24小时）5g新鲜的筛分土壤，测定土壤重量。通过无灰纤维素过滤器（Whatman，GE）过滤后，在1MKCl提取物中（使用土壤与溶液的比例为1：7.5 w–v）测量了溶解的土壤有机碳（DOC），氮（DON）和总溶解的氮（TDN）将土壤用氯仿熏蒸48小时，以估算微生物生物量氮（MBN）。熏蒸后，还用1M KCl提取土壤，并计算MBN为蒸和非熏蒸之间的TDN差异。并测定土壤无机态氮含量。使用15N稀释法从新鲜的筛分土壤样品中确定并计算N矿化和硝化的总速率。进行总核酸提取，RNA纯化和cDNA合成，amoA/nxrB基因及转录本的扩增和测序，通过qPCR对amoA基因和转录本进行定量。
表1 本研究取样的土壤样地。
表2 土壤参数、有机指标，无机指标以及过程速率的平均值。
结果
1 土壤生物化学变量和过程及干旱敏感，但对其他变化因素不敏感
在研究的草地中，CO2浓度和温度的控制对土壤氮和碳以及氮过程几乎没有影响（表3）。对于[e CO2]，无论是单独还是与[eT]结合使用，对于土壤氮，SWC，pH和总氮处理速率均未发现显着统计学影响。相比之下，仅微生物MBN和DOC单独响应[eT]会显着增加（表3）。干旱对大多数测得的变量和过程都有重大影响。SWC从周围地区的33％下降到干旱地区的6％。此外，干旱导致地上植物生物量损失了24.6％和50％，这对应于植物氮吸收量分别减少了15.8％和46.6％。此外，在干旱区和[eT×eCO2]区（F = 6.11，p = 0.025）中，MBN均较高（表3）。
DIN（F = 15.24，p = 0.001），DON（F =10.96，p = 0.004），TDN（F =26.35，p = 0.0001）和DOC（F =24.44，p = 0.0001）显着增加 干旱区相对于环境区而言，但[eT×eCO2]条件没有显着影响。无机氮形态对干旱的响应主要是由于干旱条件下NH4+含量增加所致（表3），因为NO3-含量保持不变。此外，由于干旱和[eT×eCO2]的单独和综合作用，氮矿化速率显着增加（表3）。同时，干旱区的硝化率明显更高（表2和3）。
表3 eT、eCO2和干旱对土壤参数、有机和无机指标及过程速率的影响。
2 AOB是最丰富的氨氧化微生物，不受干旱影响
Betaproteobacterial AOB amoA基因拷贝数介于1.43×109和3.79×109 g-1 DW之间，表明它们是这些山地-草原区中所有氨氧化微生物中含量最高的（图1）。古细菌amoA基因拷贝数的范围为1.21×108至2.70×108 g-1DW，CMX进化枝B amoA基因拷贝数的范围为9.10×107至2.50×108 g-1 DW。我们没有观察到单独和联合的[eT]和[eCO2]对amoA基因丰度的显着影响（图1a）。发现CMX和AOB中[eTeCO2]和[D]有交互作用（图1b）。Betaproteobacterial AOB amoA转录本拷贝数范围介于1.14×107和3.62×107拷贝g-1 DW之间，而AOA和CMX进化枝B具有相似的amoA转录本拷贝数（图1）。没有观察到对amoA转录的显着个体[eT]和[e CO2]影响（图1a；表S2）。另一方面，响应干旱，AOA和CMX进化枝B amoA转录本的拷贝数均显着下降（图1b）。值得注意的是，AOB amoA转录不受干旱影响，但是在受[eT×eCO2]影响。
图1 qPCR定量分析每克干土中氨氧化微生物组的amoA基因和转录拷贝数
3 AOA和NOB群落结构受干旱影响显著
在所有处理中硝化群落的丰富度都相对较低。最丰富的AOA amoA基因和转录物OTU与亚硝基叶霉属有关，其余的OTU隶属于亚硝基球菌科（Nitrososphaeraceae）的成员，该亚科包括亚硝基球菌和亚硝基球菌。统计分析表明，AOA amoA基因群落结构受到单独的[eT]的显着影响，并且单独操作温度的曲线图显示出更高的香农指数（图2a）。此外，方差划分显示了干旱引起的AOA amoA基因和转录本群落结构的显着差异（图3b；表S4；图S5b）。群落结构的变化导致干旱区中AOA amoA基因的Shannon多样性指数显着升高（ANOVA，F = 10.908，p = 0.004）（图2b）。在转录和基因水平上，AOA群落组成的变化均反映了针对干旱的单独影响（图3a；图3a）。关于CMX进化枝B amoA基因和转录本多样性，观察到一个单一OTU的明显优势，每个处理平均包含分别为87.3％和87.5％的基因和转录本读数（图3；图S5）。任何测试变量对CMX进化枝B群落组成和多样性指数均无显着影响。β变形杆菌的AOB amoA多样性主要由亚硝化螺菌属主导，与亚硝化单胞菌相关的amoA OTU的丰度非常低。另一方面，在基因水平上最丰富的OTU与未培养的Nitrosospira进化枝D12（100％相同）最为相似，每次处理的平均读数为56.7％（图S4）。最丰富的转录本OTU与最丰富的基因OTU相同，为87.6％。方差划分显示[eT×eCO2]×[D]对AOB amoA转录本的多样性和相对丰度具有显着的交互作用。值得注意的是，该处理在所有处理中均显示出最低的香农多样性指数（图2b）。在AOBamoA基因水平，仅在干旱条件下，在环境图上与[eT×eCO2]图上观察到香农指数显着增加（图2b）。NitrospiranxrB OTU与谱系1、2、5和6相关联，谱系2明显占优势，分别平均占基因和转录本的88.9％和79.9％（图3；图S5）。最丰富的OTU的最接近可培养代表是Nitrospira japonica（99.92％相同）。扩增子测序表明，NOB是最多样化的硝化微生物组，显示出最高的香农指数值。方差划分表明，[eT]单独引起nxrB基因群落结构的显着差异（PERMANOVA，F = 4.06，p = 0.02；表S4；图S5a）。干旱引起nxrB基因和转录本群落组成的显着差异（PERMANOVA，F = 5.34，p = 0.02，PERMANOVA，F= 6.53，p <0.01；表S4）。尽管在基因水平上未观察到相同的趋势，但这些变化比干旱下的α多样性水平显着降低（ANOVA，F =5.75，p = 0.03；图2b）。相反，[eT×eCO2]显着影响nxrB基因群落结构（PERMANOVA，F = 5.52，p = 0.02；表S4），这反映在显着较低的香浓指数值上（ANOVA，F = 9.12，p = 0.008）；图2b）。
图2 基于amoA/nxrB基因和各微生物类群转录序列的香浓多样性指数。
图3 amoA和nxrB转录序列获得的所有硝化微生物的相对丰度(%)。
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