编译：橙，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
确定潜在的生态演替驱动因素对于预测生态系统功能以响应人类引起的环境变化至关重要。尽管各种研究已经研究了氮的添加对植物和微生物群落多样性、群落结构和活性的影响，但长期的人为施肥如何影响微生物功能群落的生态演替及其潜在的群落组装机制仍是未知的。
作者通过Rothamsted实验站的Park Grass实验（世界上运行时间最长的生态实验）研究了一个多世纪以来（1870年至2008年）土壤微生物功能群落的演替。发现长期施肥会显着改变土壤功能性群落结构，并导致土壤微生物群落的趋同收敛。随机构建的重要性在调节不同微生物群落的演替方面有很大的不同。施肥对降低涉及碳（C）固定和降解，氮（N）固定和矿化以及反硝化作用的微生物群落的生态随机性具有很大的影响。该研究阐明了群落构建机制对参与碳和氮循环的土壤微生物功能群落的不同影响，对于理解和预测微生物介导的人为环境变化的生态响应具有重要意义。
原名：Century long fertilization reduces stochasticity controlling grassland microbial community succession期刊：Soil Biology and Biochemistry通讯作者单位：中国科学院南京土壤所，俄克拉荷马大学为了了解长期施肥对土壤微生物功能群落结构和演替的影响，作者从帕克草地采集了存储的长期施肥共24个土壤样品，包括12个对照样品和12个施肥样品。土壤pH约为5–6，并测定了土壤C、N以及P等元素。并进行土壤DNA提取以及GeoChip分析微生物群落功能结构。此外使用时间衰减来评估群落相似度随时间的下降程度，以及群落结构的构建机制。生态演替是随时间变化的群落组成和结构的变化，是动植物生态学中最古老且研究最深入的概念之一。确定时间演替及其潜在机制是生态研究的基本目标，对于预测响应人为活动的生态系统功能至关重要。尽管微生物群落构成了地球生物圈的很大一部分，并且在维持各种介导生态系统功能的生物地球化学过程中很重要，但人们对微生物群落的时间演替和构建机制却知之甚少。最近，使用DNA指纹图谱的方法，报道了来自不同生境的微生物群落的各种时间动态模式，例如物种-时间关系（STR）。由于微生物的独特生物学特性，包括其庞大的种群规模，高分散率，快速的无性繁殖以及对种群灭绝的抵抗力，与大型生物体相比，微生物群落可能呈现出不同的时间转换。但是，驱动这种时间顺序模式的机制仍然存在争议。例如，发现微生物演替主要受随机过程（例如扩散和漂移）控制。相比之下，还有报道微生物群落的确定性受非生物因素的控制，例如温度、pH、资源类型、养分利用率和生物相互作用等。当代微生物生态学研究面临的一大挑战是将微生物群落的功能演替与环境变化联系起来。大多数研究是基于分类学或系统发育多样性，而不是基于功能多样性。但是功能性状可能会对群落的构建产生更关键的影响，并且构建机制在不同的微生物功能群之间可能存在显着差异。在过去的几个世纪中，集约化农业通过施用氮肥大大提高全球植物的生产力，但也极大地影响了陆地生态系统中地上和地下的生物多样性。过量的氮输入对土壤微生物群落组成、多样性、活性和功能产生了巨大的影响。土壤C含量、C：N比和pH值的变化是造成施肥条件下微生物群落变化的主要因素，表明确定性过程的重要性。相反，确定性和随机性变化都表明，氮肥的作用主要是通过随机性过程而不是确定性过程表现出来的，表明复杂的构建机制是施肥效应的基础。但是，长期的人为施肥如何影响微生物功能群落的生态演替及其潜在机制仍是未知的。英国Rothamsted实验站的草地实验（PGE）是世界上最古老的草地实验。自1856年实验开始以来，包括长期施肥和未施肥地块。长期施肥过程改变了土壤理化性质和生物区系的变化。在该研究中，作者使用从1870年至2008年的存档土壤样品，通过GeoChip分析了土壤微生物群落。并提出了两个假设：（i）长期施肥减少了参与碳和氮循环的功能性微生物群落的时间转换；（ii）长期施肥过程下，随机过程控制功能群落组装的重要性降低。
1 微生物功能群落的总体格局
在对照和施肥土壤中分别平均检测到25,842和29,541个功能基因。在对照（p = 0.048）和施肥的土壤（p <0.0001）中，样品之间重叠的基因数量均随时间显着减少。去趋势对应分析（DCA）以可视化微生物功能群落的整体模式（图1a）表明对照样品和施肥样品明显分开，表明对照和长期施肥区之间的微生物功能群落不同。施肥土壤中的微生物群落比对照土壤中的微生物群落更为紧密。此外，还对样本在质心周围的分散进行了量化。施肥导致微生物群落趋同（p <0.01）（图1b）。此外，非参数多元统计检验（Adonis，ANOSIM和MRPP）进一步表明，施肥处理和对照处理的总体微生物功能结构显着不同（p <0.01）。这些结果表明，施肥显着改变了土壤微生物群落的功能组成和结构。
图1 百年施肥对土壤微生物群落分布的影响。（a）去趋势对应分析（DCA）从1870年到2008年的微生物功能群落的总体格局，点旁边的数字表示采样年份。（b）土壤微生物群落在对照和施肥样品中的分布特征。
2 长期施肥下微生物的瞬时更新特征
通过双对数转换的群落相似度（1 – Bray-Curtis距离）和时间间隔之间的线性回归来估计微生物群落的演替模式（图2a）。如预期的那样，对照（斜率= 0.028，p = 0.005）和施肥土壤（斜率= 0.018，p = 0.001）均观察到显着的时间衰减关系（TDR）。长期施肥显着降低了微生物的瞬时周转率（p <0.0001），这表明与对照土壤相比，施肥土壤的群落相似性更高。通过将等摩尔量的DNA应用于每个GeoChip阵列，可以将DNA降解随存储时间的影响归一化。结果表明长期施肥后微生物的周转时间均减少了。
作者估算了各种功能性（C、N、P和S循环）和系统发育性（古菌、真菌和细菌）的TDR斜率，以获得对不同功能和系统发育组响应施肥的时间变化的更多见解（图 2b）。在对照土壤和施肥土壤中，对于大多数功能微生物群落均发现了显着的TDR。反硝化组的施肥样品和对照样品之间的差异最大。真菌差异最大（p <0.0001），其次是革兰氏阳性细菌。
图2 一个多世纪以来土壤微生物群落的时间衰减关系（TDR）。（a）施肥样品（红色）和对照样品（蓝色）的群落相似度（Ss）和对数时间差（T）之间的线性回归。（b）功能组和系统发生组的时间转换（线性回归的斜率）。
Meta分析进一步分析了一段时间内的长期微生物演替模式（图3a）。在不同的生境和不同的时间尺度（几天到一个世纪以上）中，微生物的时间变化变化很大，范围从0.001到0.31。有理函数模型显示出比其他模型更好的拟合度。作者注意到，尽管有几个模型很重要，但它们并没有很好地拟合，并且在较短时间内w的变异性很高。因此，作者只能推断出微生物的继承率可能与时间成比例关系，并提出了一个两阶段的概念示意图，以表明一段时间内微生物演替模式的潜在趋势（图3b）。
图3 跨时间尺度的微生物时间变化。（a）Meta分析了不同时间尺度的微生物瞬时更新。红线代表最适合的有理函数模型。（b）示意表明了潜在的微生物暂时更新的两阶段模式。可通过在不同时间尺度具有不同近似公式的有理函数模型来描述趋势。Ts，时间尺度，以年为单位；k，b1，b2，k1，k2是常数系数。
3 长期施肥下的生态随机性
作者进行了基于零模型的生态随机性量化，以检验以下假设：长期施肥改变了随机性和确定性过程在驱动社区演替中的相对重要性（图4）。对照区（73％的随机率（ST）> 0.5）比施肥区（42％的ST > 0.5）的群落更高。时间顺序从相对确定变为更多的随机性，这表明随机过程随着时间长度的增加而变得越来越重要。此外，施肥显着减慢了随机过程的增长速度，导致ST与时间的斜率接近对照的一半。
图4 基于零模型分析施肥对群落随机性及其时间变化的影响。根据每个图中各时间点之间的成对比较，计算出随机率。仅使用Rothamsted数据24个样本来计算STij值。
作者进一步比较了施肥对参与碳和氮循环的不同土壤功能性群落生态随机性的影响。如概念图所示（图5），养分改良通过增加地上生物量而直接增加了土壤氮的利用率，并间接增加了土壤易分解和顽固的碳库。同时，长达一个世纪的施肥表明，在涉及固碳和降解的功能性群落的演替中，生态效应的随机性大大降低，这包括氮的矿化、固持和还原；反硝化作用，以及显着降低的TDR斜率。在硝化组中仅检测到hao基因，而仅将硝酸钠作为肥料直接添加会降低该组中演替的随机性，这与TDR斜率无显着变化有关。
图5 长期施肥对微生物功能群落组成的影响及其对微生物功能和生态变量的潜在影响的概念图。
形成群落结构的构建机制最近引起了研究人员的极大兴趣。要了解控制生态演替以响应环境扰动的驱动因素，尤其是在长期尺度上。随机性已显示出通过演替而降低。演替过程的变化不是由于时间本身导致，而是由于土壤pH的变化。作者的研究表明，随着时间的流逝，微生物功能结构的继承越来越受到随机过程的驱动。该结果与先前在资源丰富或低压力环境中微生物群落的分类和系统发生更新中观察到的随机演替的重要性越来越高有关。这种随机性增加的模式可能是由于中性扩散和随时间推移的随机漂变随时间的累积效应所致。此外，作者发现施肥降低了整个世纪中功能结构更新的随机性。确定性/随机性平衡与采样的空间尺度有关。例如，本研究分析的土壤样本包含成百上千的个体微环境，群落可以确定地聚集在这些微环境上，但在聚集时表现为随机的。施肥可能有助于使这些微量元素在养分利用率方面更为均一，这也许是为什么在这种实验方法中观察到更明显的确定性的原因。不同微生物功能组的TDR差异与随机装配的减少密切相关。施肥可能通过改变土壤碳和氮化学计量特征对区域物种库和特定物种产生不同的选择性作用。硝酸盐施肥增加了反硝化微生物特定底物的浓度并刺激了植物的生长，从而增加了特定的C和有机N植物输入量。因此，对于涉及C降解和固定，N固定和反硝化的功能微生物，观察到了随机构建过程减少的巨大影响。相应地，在涉及N循环的基因中，硝化基因受到确定性因素重要性变化的影响最小。这种行为可能是因为硝化微生物比N循环中涉及的其他分类单元丰度更少。氨氧化细菌（和古菌）和亚硝酸盐氧化微生物的丰度相对较少，导致随机或确定性扩散的潜力有限。其次，施肥还可以通过改变植物的多样性和生物量来间接增加宿主相关微生物群落的选择。在整个草地生态系统中，观察到氮富集后物种的大量损失。长期施肥使植物物种多样性显着降低，可能导致更专一的生境，这是另一个重要的选择过程。此外，已经认识到许多模式和过程都取决于时间尺度。不同的过程可能在不同的时间尺度上占主导地位。例如，某些随机过程（例如分散）可能对于理解较长时间内β多样性和演替的时间变化特别相关。研究表明微生物的更替率可能仅在较长时期内才是时间尺度依赖性的，而且更替率越来越小。相比之下，在更短的时期内，周转率可能与规模无关，这可能会受到栖息地、寄主等因素的影响。但是，与空间尺度相比，微生物生态学研究对时间尺度的考虑要少得多。在未来的研究中，应该更多地关注不同时间尺度上的微生物演替，以解决长期存在的不确定性，即哪些过程对塑造微生物群落至关重要。另外，储存方式对微生物群落DNA的影响不仅包括DNA随时间的降解，而且还包括在风干和储存过程中微生物群落组成的快速和长期变化。在这种情况下，残留在风干土壤中的DNA绝对不能完全代表原始土壤中的DNA。时间收集可能会对所测微生物群落产生影响。实际上，作者无法评估储存方式引起偏差的程度或这些偏差如何影响生物多样性的时间变化。此外，微生物功能基因可以被认为是微生物的功能性状。对于功能基因数据，选择和异常扩散是否会使相似性与无效预期显着不同，仍不清楚，需要做进一步的研究。作者的研究表明，大量施用氮肥会导致土壤功能群落的瞬时更新速度降低，从而增强了构建机制对长达一个世纪的微生物演替的不同影响。随机构建过程的重要性对于施肥长达一个世纪的土壤功能性群落（C、N、P和S）有所不同。这些发现对于预测人类在本世纪尺度上添加的氮的生态后果具有重要意义。影响施肥土壤中群落组成的决定性因素可能反映出群落的功能冗余较低，因此对干扰的敏感性较高。随着氮负荷的增加，陆地微生物群落将更加趋同。由于添加N会随着时间的推移降低随机性，因此群落可以更快地收敛到具有较低随机性的社区状态。此外，研究证明了储存的土壤对于采用宏基因组学技术进行微生物生态学研究的价值。土壤储存样品的可用性使追踪施肥对草原生态系统的长期影响成为可能，并更好地了解了微生物响应一个多世纪以来的长期人为活动而引起的演替。应该注意的是，作者对生态随机性的估计是基于零模型分析的，因此由于某些确定性过程（例如环境随机性），统计不确定性以及分子方法固有的高变异性，因此无法避免来自随机性的干扰。
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