科研 | SBB：小蓬草（Conyza canadensis）的入侵改变了土壤养分供应并且改变了微生物的结构(国人作品)
编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
由植物入侵驱动的土壤肥力和微生物菌群结构的改变可以诱导一种自我促进机制，从而有助于它们自身的入侵。本研究以一种分布广泛且有毒的入侵农田的杂草--小蓬草（Conyza canadensis）作为研究模型，探究了该物种入侵进程对土壤化学、生化和微生物性质的影响。通过种植不同密度的小蓬草（Conyza canadensis）和非入侵作物莴苣（Lactuca sativa），以模拟入侵过程的不同阶段。入侵程度的增加（即入侵者相对密度的增加）会导致土壤性质的改变，随着入侵的加剧，养分供给和酶活性总体上增加。土壤速效氮、有机质和过氧化氢酶活性的阈值分别为入侵程度为69%、50%和47%时改变。不断增加的入侵水平也影响了土壤微生物菌群结构，一些细菌和真菌类群的相对丰度发生了实质性变化，这其中包括一些与养分循环相关的微生物类群。C. canadensis引起的土壤非生物和生物组成的变化可能会导致植物-土壤的正反馈调节，从而促进入侵杂草的建立和传播。
论文ID
原名：Invasion by the weed Conyza canadensis alters soil nutrient supply and shifts microbiota structure
译名：小蓬草（Conyza canadensis）的入侵改变了土壤养分供应并且改变了微生物的结构
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：5.29
发表时间：2020.02
通讯作者：戴志聪，杜道林
作者单位：江苏大学
实验设计
本研究所用的C. canadensis以及L. sativa用5%次氯酸钠杀菌10min，随后用无菌蒸馏水冲洗10次。本研究采用的土壤（壤土，pH=8.2）采集自江苏大学附近的一片菜地，过筛，混合均匀后，取8 kg土壤并栽植C. canadensis和L. sativa于39*27*9的塑料罐子中，每2天补充200mL无菌水。通过种植不同比例的C. canadensis以及L. sativa以探究C. canadensis的不同入侵阶段对土壤生物以及非生物性质的影响。每个罐子中种植4棵幼苗（图1），分为非侵略阶段：4棵L.sativa（0%相对入侵密度）；早期侵略阶段：3棵L. sativa以及1棵C. canadensis（25%相对入侵密度）；中期侵略阶段：2棵L. sativa以及2棵C. canadensis（50%相对入侵密度）；侵袭主导阶段：1棵L. sativa以及3棵C. canadensis（75%相对入侵密度）；本地/作物物种的迁移阶段：4棵C.canadensis（100%相对入侵密度）；没有种植植被的土壤作为阴性对照。所有处理一式三份，均在温室自然光下进行。
图1 用于评估C. Canadensis入侵对土壤性质和微生物群落结构影响的试验设计。
结果
1 土壤的化学和生化特性
C. Canadensis不同的入侵梯度导致了包括TN、AN、AP和SOM在内的土壤养分以及包括土壤脲酶、转化酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶在内的酶组成的改变（图2）。其中入侵程度的增加与土壤全氮含量（R2 = 0.38，p = 0.015）、脲酶（R2 = 0.50，p = 0.003）和转化酶活性（R2 = 0.70，p < 0.001）呈线性正相关关系（图2）。然而，大多数化学和生化参数随侵染程度的增加表现出非线性响应。当侵袭程度达到75%时，AN、AP含量和ALP活性保持稳定或略有下降，之后分别增加2倍（p = 0.004）、5倍（p < 0.001）和1.7x（p= 0.006）（100%入侵密度条件下）（图2）。土壤中SOM含量（p = 0.045）和过氧化氢酶活性（p < 0.001）在50%入侵水平时有所降低，而在侵袭主导阶段（Canadensis入侵水平为75%）时，土壤样品中SOM含量（p = 0.035）和过氧化氢酶活性（p < 0.001）升高，达到与非侵阶段相近或更高的水平（图2）。不同入侵水平对土壤TK（图2）、AK和TP含量的影响差异不显著（p > 0.05）。
如图3所示，C.canadensis驱动的土壤非生物因子的变化导致入侵水平之间的明显分离，这其中0%和25%入侵水平下彼此更接近，而50%和75%入侵水平主要通过改变土壤有机质，AK含量以及脲酶和转化酶活性而远离非入侵/低入侵水平。其中，由于土壤中碱性磷酸酶（ALP）活性以及AP、AN和TP含量的变化，导致单一栽培C. canadensis阶段最为明显（图3）。
2 土壤微生物群落多样性和结构的变化
通过测序，共获得101万个细菌序列（平均每个样本56,239个序列）和111万个真菌序列（平均每个样本61,496个序列），分属于2376个细菌OTUs和273个真菌OTUs。土壤细菌群落的丰富度和多样性并没有随着入侵水平的增加而发生显著变化（p > 0.05）（图4A）。然而，当C.canadensis的入侵水平从0%增加到25%时，真菌群落的丰富度（p = 0.017）和多样性（Chao 1指数，p= 0.035；逆辛普森指数，p = 0.005；Shannon指数，p = 0.014）都有所下降（图4B）。在较高的入侵水平（入侵水平50 - 100%），真菌的丰富度（p = 0.006）和多样性（Shannon指数和逆辛普森，p > 0.05；Chao 1指数，p = 0.011）相似或略高于非入侵阶段（图4B）。
β多样性分析表明，C. canadensis的入侵显著改变了土壤的细菌和真菌结构（p = 0.001）（图5）。未种植植物的土壤（即在实验期间在相同环境条件下保存在盆栽中的土壤样本）与有任何幼苗的土壤样本相比，表现出独特的微生物群落结构。随着C.canadensis相对密度的增加，微生物群落结构发生了更明显的变化。非入侵水平至低入侵水平（0%到25%）的土壤具有相似的细菌和真菌群落结构。当入侵水平高于50%时，土壤表现出类似的细菌群落结构（图5A），但真菌群落的结构不同（图5B）。矢量拟合分析表明，不同C. canadensis密度梯度之间微生物群落结构的差异与转化酶活性（细菌群落R2=0.49，p = 0.025，真菌群落R2=0.54，p = 0.012）和碱性磷酸酶（R2=0.71，p = 0.002，真菌群落R2=0.71，p = 0.002）有很强的相关性（图6）。
随后我们探究了不同的分类水平上，C. canadensis入侵梯度所引起的微生物群落结构的变化。在不同入侵程度下，Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria和Bacteroidetes均是土壤中的优势细菌门，约占土壤细菌群落总量的73%。与非入侵阶段相比，高相对密度的C.canadensis（50%~100%入侵水平）富集了土壤中Actinobacteria（p = 0.023）和Chloroflexi（p = 0.011）。相反，这种侵入性杂草的优势导致了Planctomyces丰度的下降（p = 0.005）（图7A）。
讨论
随着C. canadensis与L. sativa比例的增加（入侵水平的增加），土壤养分组成发生了明显变化，土壤养分含量和酶活性总体增加。具体来说，土壤尿酶、转化酶活性和TN水平随C.canadensis相对密度的增加而呈现出线性增加的关系，而AN、AP、ALP、TK、SOM和过氧化氢酶活性则表现出非线性响应。在某些情况下，非线性反应的特征是有明确的阈值，其中参数（即AN、SOM和过氧化氢酶）在响应的大小和/或方向上变化很大。当C. canadensis与L.sativa的比例在47%~69%之间时，这些参数的响应发生了明显的变化。在特定比例下的这种阈值可能代表着入侵过程中的一个关键因素，并将支持“潜在关注阈值”这一概念，即任何超过入侵中间阶段的密度增加都可能对生物多样性以及生态系统服务和供应构成重大威胁。我们的研究结果表明，C. canadensis的入侵，特别是在相对密度高于50%的情况下，能够诱导养分供应的重大变化，对土壤生态系统功能产生潜在的下游影响，最终可能促进其向新栖息地的扩散并成为优势种群。
除了土壤养分和酶活性的变化外，C. canadensis相对密度的增加还引发了土壤微生物菌群的变化。我们观察到25%入侵水平下真菌群落多样性较低于0%入侵水平条件下。有趣的是，尽管α多样性有所下降，真菌群落结构在这两个入侵阶段之间并没有发生显著变化（图5B）。在反映入侵过程后期阶段（例如50-100%的入侵水平），细菌和真菌群落在多样性（图4）和结构（图5）方面都显示出不同的轨迹。
土壤中AN和AP的含量在相对较低的侵略程度下（25-50%）略有降低。这种土壤养分的耗竭可能归因于杂草的高吸收和/或在入侵的早期和中期与土壤微生物的激烈竞争。然而，一旦环境由C. canadensis主导（75-100%的入侵水平），这些营养物质的含量就回到或超过了在非入侵阶段观察到的含量（0%）。这一系列土壤非生物因子的连续改变可能代表着入侵植物的一种竞争性状。我们的研究表明，这种养分供应的变化可能与微生物群落组分与C.canadensis之间的相互作用有关，并与杂草相对密度的增加相关（图8）。入侵植物通过其根系分泌物和衍生物质选择性地改变土壤微生物菌群的能力已在许多物种中得到报道，而增加入侵水平可能会增强这种效应。土壤微生物菌群结构的改变可以导致土壤化学和生物化学性质发生方向性的转变，这有助于调节植物与植物之间的相互作用，从而支持植物的组成和多样性。
大量研究表明，土壤微生物群落结构随植物入侵而发生变化。Rodrigues等人发现，几个特定的细菌和真菌类群（分属于Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria和Ascomycota）的丰度随着入侵程度的增加而增加，也有研究发现植物真菌和放线菌的丰度随着入侵程度的增加而下降。本研究中，我们观察到随着C. canadensis的入侵，Actinobacteria和Chloroflexi丰度增加，同时Planctomyces成员枯竭（与未入侵和低入侵状态相比）。Actinobacteria中的部分细菌是重要的土壤腐生生物，能够在分解过程中分解凋落物，从而影响再矿化和氮循环。类似地，在以 C. canadensis为主的处理中，发现了相对丰度较高的Chloroflexi门光合细菌群，它们可以促进土壤施肥和促进植物生长。高侵袭水平还与Nitrosomonadaceae科和Nitrospiraceae科的一些细菌的相对丰度较低有关，这两个科在好氧条件下分别被认为能氧化铵和亚硝酸盐。
与一些细菌类群一样，菌根真菌也是土壤中重要的分解者，它们将顽固的有机质转化为可利用形式，并有助于N和P的循环利用。在以C. canadensis为主的土壤中，Glomomycota门中真菌的相对丰度较高，其生态位中包含很多与植物根系共生的丛枝菌根真菌。这一发现可能潜在地表明共生相互作用促进了C.canadensis的入侵。此外，能够与其他真菌成员形成外生菌根的Thelephoraceae在高入侵条件下也得到了富集。Yagame和Yamato发现，Thelephoraceae科真菌形成的外生菌根显著促进了Cephalanthera falcate的生长。我们在50-75%的入侵水平下观察到的细菌和真菌群落结构的变化可能是导致土壤TN含量上升的原因，以促进C. canadensis的生长和建立（图8）。养分循环的这种变化可能支持植物-土壤的正反馈，促进杂草物种的传播，同时抑制作物种群的增长。
你可能还喜欢