科研 | ISME: 植物群落调节了“干旱和植物入侵”与“土壤微生物群落结构”之间的相互作用
编译：阿昊，编辑：小菌菌、江舜尧。
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土壤微生物群落在人类活动引起的全球变化的生态系统响应中起着重要的作用。然而，我们目前对土壤微生物如何通过相互作用对全球变化作出反应，以及这种反应是否会受到植物群落结构变化的调节，了解甚少。在此，作者利用田间试验评估了土壤真菌和细菌群落对植物入侵、干旱及入侵-干旱组合的响应变化。此外，我们利用结构方程模型，通过相关植物群落的变化，评估了植物入侵和干旱的相对重要性。
结果表明，真菌群落结构受干旱和入侵的交互影响，真菌丰富度随植物入侵而降低，干旱条件下真菌丰富度随入侵而升高。细菌丰富度在干旱条件下降低，但不受植物入侵的影响。降低植物丰度和增加根系生物量，减缓了植物入侵对微生物丰富度的直接影响。特异功能微生物，包括病原菌、共生菌和氮素代谢产物也受到植物群落变化的影响。综上所述，植物群落调节了全球变化驱动因素和土壤微生物群落结构的相互作用，对群落动态和生态系统功能具有重要的潜在影响。
论文ID
原名：Plant communities mediate the interactive effects of invasion and drought on soil microbial communities
译名：植物群落调节了“干旱和植物入侵”与“土壤微生物群落结构”之间的相互作用
期刊：ISME
IF：9.40
发表时间：2020
通讯作者：Catherine Fahey
作者单位：美国佛罗里达大学
实验设计
Bivens ArmResearch Site (BARS)位于美国佛罗里达州盖恩斯维尔市的佛罗里达大学(29°37′42″ N,82°21′14.4″ W)，年平均气温20.5℃，降水量1300mm。在本研究中，对30m×60m面积的土地进行了修整和耕作。2012年5月，在40块4m × 4m的地块上播撒种子建立植物群落，包括36个当地品种的多年生牧草和非和本草木植物（forb）（12spp.×3个对照）和每个地块20株长叶松幼苗。
2013年春季，I. cylindrica植物和干旱模拟被介入。每个样方中植入9株I. cylindrica模拟植物入侵，设置覆盖89%的聚乙烯防雨棚模拟干旱处理。在试验的3年中，干旱试验区的土壤含水量比环境降水试验区平均低30% - 50%。从2013年3月到2016年6月土壤取样期间，干旱处理一直保持不变。
结果
1 微生物多样性和群落组成
真菌OTU丰富度和Chao 1指数受入侵和干旱的交互影响。在植物入侵环境条件下微生物丰富度降低了56个OTU，而在干旱条件下，入侵提高了48个OTU的丰富度(I×D: P=0.02; Fig.3a)。真菌多样性/均匀性与丰度有相同的趋势（Table 1）。入侵导致土壤细菌Shannon指数和均匀度升高。干旱处理对细菌Shannon多样性指数、均匀度、OTU丰富度和Chao 1指数的影响显著。平均而言，干旱地区的细菌OTU比正常地区少180个。
入侵和干旱交互作用影响真菌群落组成，未受入侵的地块和受入侵的干旱地组成相似，而受入侵的地块和未受入侵的干旱地块组成相似（I×D: P=0.001;Fig.4b）。干旱是细菌群落组成的最强驱动因素，入侵与干旱的交互作用较弱（加权UniFrac: D:P=0.002, I×D: P=0.26;未加权UniFrac: D:P=0.001, I×D: P=0.06;Fig.4 c, d）。不同处理间的植物群落差异有统计学意义(P=0.003)，而真菌之间和细菌之间的差异都没有统计学意义(P=0.003)。处理组菌群分布有差异(真菌:P = 0.96;细菌未加重UniFrac: P=0.37;细菌加权UniFrac: P=0.59)。
Fig.3 入侵和干旱处理对微生物丰富度的影响。(a)真菌和(b)细菌OTUs的丰富度，环境降水以白色表示，干旱处理以黑色表示(平均值±SE;N = 10)。
Table.1. 入侵和干旱处理混合效应模型对真菌和细菌丰富度、Shannon多样性指数、Pielou’s均匀度和Chao 1指数的影响
Fig.4入侵和干旱处理群落差异的非度量多维定标排序。(a)植物群落组成d Bray Curtis差异(胁迫=0.164)，(b)真菌群落的Bray Curtis差异(胁迫=0.199)，(c)细菌群落未加权UniFrac距离，(d)加权细菌群落的UniFrac距离。带有误差条的较大点表示每个处理10个地块的平均SE，较小的背景点表示每个地块的NMDS值。淡蓝色的点表示有周围降水的未被入侵的区域，深蓝色的点表示有周围降水的被入侵区域，橙色的点表示未被入侵的干旱区域，红色的点表示被入侵的干旱区域。
2.真菌群体
在不同处理中，真菌在门和类的水平上无明显差异。所有对治疗有反应的菌种和科都是罕见的（相对丰度<1%)。在至少25%的样本中，62个真菌目中有6个受处理影响。植物入侵后蜡壳耳目(丝状真菌，Sebacinales)的丰度增加；在干旱条件下，球囊霉目（Glomerales）和伞形霉目(Umbelopsidales)的丰度下降(D: W分别为0.79和0.77)。ph酸化菌、阿特利利菌和文丘里亚菌（Phacidiales,Atheliales, and Venturiales）在入侵的环境小区和未受侵的干旱小区中含量都较少(I D: W分别为0.95、0.94、0.79)。与未受入侵的环境地和受入侵的干旱地相比，ph酸化科和阿特利利菌（Phacidiales, Atheliales,）分别在受入侵和干旱时的丰度较低(I×D: W=0.97, 0.96)。
在真菌数据集中，基于FUNGuild数据库，69%的OTU被确定为已知，81%的OTU具有或则或极有可能的置信度。各处理对真菌病无显著关系；干旱对群落“内生菌、未定义腐生菌、木材腐生菌”有边际效应，对群落“动物病原体、真菌寄生虫、未定义腐生菌”有边际交互作用。
3.细菌群体
只有相对罕见的细菌类群(即，小于1%相对丰度)受到处理的影响，包括4/32门。被侵染的小区中，纤维杆菌（Fibrobacteres）的数量是原来的7倍以上，螺旋体属（Spirochaetes）的数量是原来的3倍以上(分别为:W=0.88, 0.81)。在干旱条件下，候选区TM7中的细菌数量是干旱条件下的2.4倍(W=0.90)，而FCPU426在干旱条件下比环境条件下少73% (D: W=0.77)。91种细菌中有10种受到处理的影响。入侵条件下，纤维细菌和螺旋体属分别是原来的7.5和4.3倍。干旱条件下，Holophagae、Pla4、OM190、衣原体、细胞吞噬和PRR-12的含量较少(D: W分别为0.96、0.91、0.89、0.80、0.79、0.79)，而TM7-1和TM7-3的含量较多(D: W分别为0.96、0.89)。136个细菌目中有4个受干旱影响，152个科中有7个受干旱影响，2个科和1个科受入侵影响，1个科和1个科受入侵和干旱影响(Fig.1)。
在细菌数据集中，20%的OTU在FAPROTAX数据库中被确定至少有一个已知的假定功能。大多数细菌群有几个指定的功能，所以我们通过数量(基于相对丰度的等级)和一个关键功能来指功能群。在48个细菌功能组中，有5个受干旱影响，其中FG2反硝化细菌和FG13人类病原体在干旱条件下更为丰富。
Fig.1 假设入侵和土壤湿度对土壤微生物丰富度的直接和间接影响。
4.微生物群落结构的驱动因素
结构方程模型分别解释了真菌和细菌丰富度变化的41%和27%。入侵对植物丰度(标准化系数= 0.87,P<0.001)和松树丰度(标准系数= 0.37,P=0.02)有负向影响，但对根系生物量有正向影响(标准系数=0.76,P<0.001;Fig.5)。土壤水分对根系生物量有正向影响(std.系数=0.21,P=0.03)。入侵对真菌丰富度有直接的正向影响(std. coefficient=1.2, P<0.001)，对松覆盖有间接的正向影响(std. coefficient=0.14)。入侵还通过植物丰富度(std.系数= 0.77)和根系生物量(std.系数= 0.65)产生负向间接影响;Fig.5a)，整体侵入效应为负(std.系数= 0.07)。土壤水分对真菌丰富度有直接的正向影响(std.系数=0.34,P<0.001)，但对根系生物量有间接的负向影响(std.系数= 0.18)，导致土壤水分的总体效应为正(std.系数=0.17)。
入侵有直接积极的影响细菌丰富(std.系数= 0.80,P = 0.04),但也有一个间接的负面影响入侵的细菌通过丰富植物物种丰富度(std.系数= 0.80),导致一个更温和的总体积极影响细菌入侵的丰富性(std.系数= 0.24)。土壤水分对细菌丰富度无直接影响，土壤水分对细菌丰富度的间接影响不显著(std.系数=0.06;Fig.5 b)。
真菌群落的结构方程模型解释了48%的植物病原菌相对丰度变化，30%的AM真菌相对丰度变化，63%的外生菌根真菌相对丰度变化，58%的腐殖菌相对丰度变化。植物病原菌相对丰度直接受到土壤水分增加的正向影响(std.系数=0.38,P<0.01)，而受到根系生物量的负向影响(std.系数= - 0.59)，间接受到土壤水分的负向影响(std.系数= - 0.12)。入侵通过松树丰度和根系生物量对植物病原菌丰度产生了相反的间接影响(std.系数=0.22，−0.45)，对植物病原菌的入侵产生了总体的负面影响(std.系数= - 0.23;Fig.6 a)。入侵或土壤湿度对AM真菌没有直接影响(Fig.6b)。它们的丰度随着根系生物量的增加而增大，这是由入侵和土壤水分的促进作用，从入侵和土壤水分到AM真菌丰度形成正的间接路径(std.系数=0.47,0.13)。入侵还通过植物丰富度对AM真菌产生间接的负向影响(std.系数=0.44)。外生菌根真菌的丰度与松树的丰度呈正相关(std. coefficient=0.80, P< 0.001)，导致外生菌根的入侵的负间接效应(std. coefficient= - 0.30;Fig.6 c)。
Fig.5 路径图显示了入侵和干旱处理、植物群落和微生物丰富度之间的关系。
Fig.6 显示入侵和干旱处理、植物群落和真菌群落之间关系的路径图。(a)植物病原菌、(b)丛枝菌根、(c)外生菌根、(d)腐生菌的相对丰度。箭头旁边显示了标准化的路径系数，箭头的大小根据系数的强度调整。实箭头和黑色系数表示显著相关(P<0.05)，而褪色箭头和灰色系数表示不显著相关(P>0.05)，箭头的透明度水平与P值对应。
Fig.7 显示入侵和干旱处理、植物群落和细菌功能群之间关系的路径图。(a)功能2 (包括功能:有氧、光能异养、光能自养、脱氮、硝酸盐还原、硝酸呼吸、亚硝酸盐呼吸、光能自养)；(b) 功能组3（好氧化学异养、化学异养）；(c) 功能组7(包括功能:化学异养、烃类降解、甲烷化、甲酰化)；(d)功能组8(包括功能:化学异养、发酵和硝酸盐还原)。
讨论
稳定同位素标记技术SIP曾被用于鉴定沉积物和土壤中的活性硝化微生物，在大多数研究中，单独使用DNA-SIP或RNA-SIP，但二者对于识别关键微生物都很重要。当DNA-SIP检测到同位素掺入到分裂细胞中时，RNA-SIP可以检测到活跃的但缓慢生长或不生长的细胞。通过将SIP与下一代测序技术（NGS）结合，可以提高生物分类学的分辨率，并以高度的微多样性提高了分类单元中的系统型。作者研究了使用RNA-和DNA-SIP在RGSF中的H13CO3-的同化与硝化作用，并提供了硝化螺旋菌对与生态相关NH4+氧化的第一个原位生理证据。
先前的研究表明，硝化螺旋菌硝化螺菌比硝化单胞菌丰度更高，并且发现硝化螺旋菌在一个完整的快速重力滤砂器RGSF微生物组中具有完整的硝化途径。硝化螺旋菌是在NH4+和NO2-的处理中唯一利用H13CO3-的属，表明硝化螺旋菌是该系统中唯一氧化环境NH4+和NO2-的属，在系统发育上比较了硝化螺旋菌的氨和亚硝酸盐氧化系统型。在本研究中，尽管存在氨氧化古菌（AOAs），但其含量远低于硝化螺旋菌（100-1,000倍），但没有任何古细菌类群被13C标记，这可能是由于它们的初始丰度低或在实验过程中施加了较高的NH4+浓度，因为AOA在能量供应减少的条件下可以更好地成长。
评论
结果表明，非生物因子和生物因子均可以影响土壤微生物群落结构。我们原以为入侵和干旱都会对微生物群落产生直接的负面影响，但我们发现入侵对微生物的丰富度有直接的正面影响。然而，与入侵相关的植物丰富度下降对微生物丰富度产生了强烈的负向间接影响。这些结果表明，由于入侵导致的植物多样性下降可能驱动微生物多样性的损失。另一方面，松树丰度和根系生物量与真菌丰度呈负相关，而细菌与真菌丰度无显著相关。土壤水分与真菌丰富度呈正相关，而与细菌丰富度无关，土壤水分通过地下生物量的负间接效应抵消了正直接效应。总的来说，植物群落被证明是土壤微生物群落中生物和非生物全球变化因素的重要中介，通过评估这些间接影响，我们可以开始梳理人为环境变化相互作用的复杂性。
结论
干旱是本世纪的主题词，受到干旱胁迫后，微生物和植物之间的相互作用等相关主题近期在ISME和Nature Communication等Nature子刊上被广泛报道。这是一个前沿方向，制得同学们和各位研究者关注。
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