【LorMe成果】“伙食配置”如何影响有益菌群的战斗力？

作者：杨天杰，南京农业大学土壤微生物与有机肥团队讲师，主要研究资源对根际微生物群落及土传病原菌互作的影响及调控，从生态学的角度解决植物营养学的问题，为农业生产提供理论支撑。韩岗，南京农业大学硕士在读，主要研究益生元与根际健康。

LorMe成果主要展示LorMe实验室研究成果！本期为大家介绍的是杨天杰博士于2018年12月发表在《proceedingsroyal society B》上的《Resourcestoichiometry shapes community invasion resistance via productivity-mediatedspecies identity effects》一文。

 导读

研究表明微生物群落的物种多样性-入侵抵抗力关系会受到资源可利用性等环境条件的影响，而环境中的不同元素的相对浓度（即化学计量配比）对不同物种的生理特征和相互作用关系有着很大的影响，但是对微生物群落多样性-入侵抵抗力的影响及其生态学机制尚不清楚。本文通过考察不同氮磷比例条件下，有益菌群内部的多样性效应及抽样效应，探究了化学计量比是如何影响有菌群对病原菌入侵的抵抗力。这一发现为在不同土壤营养条件下，选择并组装有效有益菌群落提供了理论依据。

实验假说

不同化学计量比通过影响有益菌群内部某些物种的生产力，进而影响群落对病原菌入侵的抵抗力。

实验设计

为了验证该假说，我们以青枯菌为入侵的病原菌模型，这种细菌可导致茄科土传细菌性病害，已在全球造成了重大的经济损失。此外，选取5株根际有益菌进行不同梯度的群落组合。设置不同氮磷比例（N:P），将各有益菌群与病原菌共培养，考察群落对病原菌入侵的抵抗力（以病原菌相对数量表征）、群落及单菌生产力、单菌利用氮和磷的能力。

实验结果

A：化学计量比对多样性-入侵关系的影响（多样性效应）

首先，我们发现在不同N:P下，随着有益菌群内物种多样性的增加，群落对病原菌入侵的抵抗力显著增强，即病原菌的相对数量降低（图1），表现出多样性效应。同时，N:P比值的增加，会增强群落的抵抗力（图1）。但群落的多样性效应并不随着N:P改变而改变（N:P和多样性效应无交互作用），那么是否是有益菌群内部某些单菌的表现受N:P，从而影响了群落的抵抗力呢？我们接下来分别考察了群落内部单菌（抽样效应）和N:P分别是如何影响群落抵抗力。

图1：物种丰富度和N:P对病原菌入侵的影响

B：有益菌对群落生产力和抵抗力的影响（抽样效应）

通过进一步分析群落内部的抽样效应发现，有益菌群中确实存在某些表现突出的菌株，对群落的抵抗力起到了很大作用。结果表明，含有菌株QL-A6和QL-140的群落具有更强的入侵抵抗力，病原菌相对数量显著降低，而没有菌株QL-A6和QL-140的群落则抵抗力较弱（图2）。

通过考察菌株在不同N:P下利用N和P的能力及最大生长速率，我们发现与其他有益菌相比，菌株QL-A6和QL-140具有较强的N和P利用能力（可消耗培养基中较多的N和P）、且具有较高的生长速率。

图2：QL-A6和QL-140物种对病原菌入侵的影响(a)和(b)

C：化学计量比对群落生产力和抵抗力

随着N:P比率的增加，群落的物种多样性与群落生产力呈正相关（见文章附件）。此外，群落生产力与病原菌相对数量呈负相关关系，且随着N:P比值的增大，负效应越强（图3a）。该结果可以用抽样效应解释：群落生产力主要受菌株QL-A6和QL-140的影响，且这两株菌的生产力随N:P改变而改变。N:P比值较低时，菌株QL-140具有较高的生产力；随着N:P比值的增加，菌株QL-A6的生产力逐渐增强（图3b），并且最大生长速率也达到顶峰。因此，化学计量比通过影响群落内物种的生产力而影响群落的抵抗力。

图3 (a)N:P比率对群落生产力-入侵抗性关系的影响（b）在细菌单一培养中测定的不同N:P比下有益菌和入侵者的生产力

D：物种特性和化学计量比与群落生产力-入侵抗性的联系

为了进一步研究抽样效应和化学计量比是如何共同影响群落及其对入侵抵抗力的关系，我们利用结构方程模型对所有变量进行了整合分析。结果再次表明，群落的物种多样性对生产力及抵抗力（病原菌相对数量）没有显著的影响，其他变量可共同解释群落生产力及抵抗力（图4）。菌株QL-A6和QL-140显著提高了群落生产力，并减少了病原菌相对数量，增强了群落抵抗力。与之前的分析结果相同，N:P可直接影响群落生产力及抵抗力。N:P的增加降低了病原菌的相对数量（与图1同）和群落生产力（模型里进行了线形拟合，未能真实反映出N:P和生产力的多项式关系）。同时，群落生产力可显著减少病原菌的相对数量。

这些结果共同表明，群落中某些物种和化学计量比分别对群落抵抗力具有直接的影响，而化学计量比可也间接影响群落内物种的生产力进而影响抵抗力。

图4 结构方程模型（SEM）显示了抽样效应和N:P对群落生产力和病原菌入侵的直接和间接影响

研究意义

化学计量比可驱动微生物群落组成的变化或物种的生产力，潜在地影响病原菌入侵，因此可以通过调节土壤养分利用率和平衡(N:P)来防控植物病原体的入侵，从而维持一个相对稳定的微生物群落。从更广泛的角度来看，通过了解全球元素平衡的变化，可对微生物群落的结构及表现进行预测，从而获得整个生态系统功能的潜在变化。

参考文献 ： Resource stoichiometry shapes community invasionresistance via productivity-mediated species identity effects

期刊:  proceedings royal society B

DOI : 10.1098/rspb.2018.2035

作者: Tianjie Yang et al.