科研 | Mol. Ecol：特定地点的水可用性预测了与海岸红杉根相关的细菌群落
编译：Rivc，编辑：小菌菌、江舜尧。
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实验已证明干旱能延缓根微生物群的发育并增加放线菌的相对丰度，然而，这些发现对自然系统或其他不同植物宿主的可推广性仍不清楚。细菌细胞壁厚度和生长形态(如丝状或单细胞)被认为是可能介导细菌对环境驱动因素反应的特征。利用海岸红杉(红杉)范围内的自然水可利用度梯度，我们检验了三个假设:
(1)特定地点的水可利用度是红杉根和根际土壤细菌群落组成的重要预测因子
(2)在红杉微生物群中，放线菌和其他9种单皮细菌群对干燥条件的响应相对丰富；
(3) 细菌生长形态是细菌对水可用性反应的重要预测因子，与单细胞细菌相比，丝状分类群在较干燥的位置将更加占优势。
我们发现红杉细菌群落的α-和β-多样性部分可以用水分有效性来解释，放线菌的富集是陆地植物对水分亏缺的保守反应。此外，我们强调了放线菌在红杉系统中的富集趋势主要是由放线菌驱动的。我们提出细菌生长形态是放线菌数量随着干旱程度的增加而增加的一个额外机制。基于性状的方法，包括细胞壁厚度和生长形态，可以解释细菌分类群在环境梯度上的分布，并有助于预测各种宿主植物的细菌群落组成模式。
论文ID原名：The generalizability of water-deficit on bacterial community composition; Site-specific water-availability predicts the bacterial community associated with coast redwood roots译名：水分缺乏对细菌群落组成的影响；特定地点的水可用性预测了与海岸红杉根相关的细菌群落期刊：Molecular EcologyIF：5.163发表时间：2020.10通讯作者：Claire E. Willing通讯作者单位：加州大学
实验设计地点为塞姆佩尔韦恩斯，从加利福尼亚州的大苏尔到俄勒冈边界以北 (北纬36.08度，西经121.60度，西经41.77度，西经124.11度)。取样:2015年9月至10月期间，在每个地点收集了16个土芯(15厘米深，8厘米直径)。进行样品制备和DNA提取及土壤化学分析（包括土壤的总碳和氮含量、土壤、酸碱度、总磷、钾、钙、镁、锌、硼、锰、铜、铁、铅、铝、钠和硫，以及阳离子交换容量）。最后进行微生物测序。所有的统计分析都是使用R4.0.0版本。为了检验第一个假设(H1)，即特定位点的水可利用性是形成跨位点细菌群落组成的重要因素，使用了广义相异度模型。广义相异模型(GDM)解释了单一模型中个体随环境梯度变量的群落相异度的非线性响应。为了验证特定地点的水分有效性与根和根际土壤中放线菌的相对富集度相关的假设，对样本进行了过滤，使用R中 “lmer”函数生成了线性混合效应模型。为了检验我们的最后一个假设(H3)，即细菌生长形态是一个重要的优势细菌的预测因子，在特定位点的水的可用性范围内，首先测试了包含大多数丝状细菌的细菌目(放线菌目)是否驱动了放线菌富集的这一趋势。为此，移除了放线菌，并使用如上所述的线性混合效应建模方法来研究放线菌的作用。
结果1 特定地点的水可用性与红杉细菌群落组成的变化相关
通过PERMANOVA对群落的比较表明了红杉根和根际土壤之间细菌群落组成的显著差异。根和根际土壤在的群落组成上表现出显著差异，地点和样品类型之间存在显著的相互作用(p< 0.001；图1a)。在系统发育上，红杉根主要被变形菌和放线菌占据(图1b)。根际土壤由更多样的门组成，包括酸细菌、拟杆菌、变形菌和氯细菌(图1b)。GDM分析确定水的可利用性(AET)和土壤酸碱度都与红杉根和根际土壤细菌群落组成显著相关(图S1；表1)。
在稀释至每个样品后，单个根际土壤样品的平均观测丰富度为1064.164±173.480，单个根样品的平均观测丰富度为776.579±130.542。使用香农和辛普森多样性指数，根的细菌多样性最低，而AET最高(较潮湿的地方的根细菌多样性较低)(图2；表S3)。在根际土壤中观察到类似的趋势，其中较高的AET对应于较低的多样性，然而，该趋势仅对于根际土壤中的香农多样性指数而不是辛普森多样性指数是显著的(图3b-3e；表S3)。随着水资源的增加，细菌物种丰富度下降。物种损失随着水资源的增加而增加(与物种替换相反)。
表1 红杉根和根际土壤细菌群落组成的广义相异模型(GDM)结果。
图1 不同地点和样本类型的细菌群落组成。
图2 线性混合效应模型结果
2 水分缺乏时放线菌丰度和细菌群落多样性的增加
红杉林中较低的水分利用率对应于在根和土壤样品中发现放线菌的比例相对较高(p < 0.001图2a和表2)。根系和土壤微生物相对丰度均增加，同时说明了与土壤酸碱度相关的群落组成的变化298(表2)，在完整模型中，土壤酸碱度对相对放线菌丰度没有显著的主要影响，而在最简约模型中，土壤酸碱度作为解释因素。干旱条件下富集的其它细菌的研究表明，厚壁菌相对丰度和干旱之间没有显著的关系。然而，随着干旱程度的增加，Chloroflexi有显著的富集趋势 (表S2；p=0.003)。
表2 线性混合效应模型总结的影响相对丰度的放线菌的环境因素。
3 细菌生长形态可作为细菌对缺水反应的潜在介质
对有和没有放线菌的放线菌相对丰度的分析表明，放线菌驱动了微生物丰度的相对富集，随着放线菌的去除，AET和放线菌丰度之间的关系也变得显著相关(p=0.0632)，并且在样品类型(根与土壤)之间存在显著的相互作用，其中放线菌丰度和AET之间的关系在根中几乎消失，但在土壤中保持非常相似。等级丰度曲线表明，放线菌丰度的变化似乎是由不同放线菌类群数量的增加以及其中一个顶级放线菌类群(链霉菌属)相对丰度的317增加所驱动的(图3，表3)。丝状细菌读数的相对比例随着根和土壤的缺水而增加(图4)。根中第二丰富的OTU，链霉菌属相对丰度显著增加，此外，来自红杉根样品的50个最丰富分类群的等级丰度曲线显示，随着干旱程度的增加，出现了多个厚壁菌门分类群，所有326个分类群属于梭状芽孢杆菌科，除了一个以外，所有分类群都被鉴定为梭状芽孢杆菌属(图4)。
图3 红杉根和根际土壤样品的前两个丰度的otu分别与(AET)进行对比。
图4 在高、中、低 AET中排列的丰度曲线，以及在AET中发现的前50个分类单元的丝状细菌与单细胞细菌的比例。
讨论本研究提供了一个重要的试验，证明了对水分亏缺反应中放线菌富集的普遍性。放线菌的富集可能是根际细菌对水分限制的保守反应。此外，放线菌在红杉系统中的富集似乎在很大程度上是由属于放线菌目的分类群驱动的。细菌生长形态作为一种额外的潜在机制，通过该机制放线菌类群在干燥条件下表现出相对富集。虽然单细胞、鞭毛细菌在潮湿条件下占优势，但随着水分亏缺的增加，这些分类群的相对丰度降低，其中丝状细菌显示出相反的趋势。结合植根于自然历史的基于性状的形态学方法可以增强我们对细菌生态学的理解，并解释在各种宿主植物的不同环境条件下某些细菌分类群的存在。特定地点的水可利用性决定了红杉根和土壤的细菌群落组成。在当地和区域范围内，水可利用性已被证明是构建细菌群落组成的重要因素。结果证实细菌群落确实受当地水资源的影响。此外，研究证明了干旱导致细菌群落的a-diversity值更高，并证明了这些群落在水可利用性的梯度上有显著的嵌套。水分有效性与红杉根际放线菌的相对丰度相关。随着水分有效性的降低，植物宿主的根和根际土壤中的放线菌富集。本研究结果进一步证明了放线菌在红杉根和根际土壤样品中的相对富集与较低的位点特异性水有效性相关。本研究结果表明，在自然野外条件下，细菌群落的维持存在不同的机制，或者裸子植物宿主存在不同的模式。红杉林的大部分被归类为温带雨林，其特点是具有强降雨。因此，选择这些群体所必需的水分亏缺的某些阈值可能没有在整个原生范围内或在取样时达到。此外，水分有效性下降和放线菌类群相对丰度增加之间的关系受到样品类型的显著影响。对此的一个解释可能是，与土壤水分有效性相比，AET可以作为更好的植物有效性的预测因子。土壤持水能力取决于土壤本身的许多特征，包括粘土含量和有机物。相比之下，土壤中的细菌群落可能更能代表更大的细菌类群。尽管在不同的环境梯度中观察到了具有两种不同生长形态的微生物分布的差异，包括细菌和单细胞丝状真菌，其中这些特征在系统发育上不太保守。因此，在可能有其他系统发育保守的性状导致了这些结果。未来的研究应该强调对干旱期间富集的特定放线菌进行更精细的分析，以进一步比较植物宿主和环境之间的这些趋势。同样重要的是，结合细菌生长和细胞壁形态学特征的方法与研究植物宿主功能后果的温室研究相结合，可以帮助阐明细菌群落跨水梯度转移的潜在机制。对红杉林保护和管理的启示。研究强调了在严重干旱期间，植物是如何处于最高风险的。根微生物群落对于在快速变化的气候下更好地保护这些森林可能是至关重要的，需要进一步的研究来更好地理解根际微生物群落转移生理特性。