编译：微科盟达达兔，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。
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导读
环境因素对细菌群落组成的影响很大，在北极地区也是如此。但是很少有人研究空间因素在这些群落结构中的作用。在本研究中，研究人员评估了空间尺度对北极景观细菌群落结构的影响。结果表明，空间因子约占景观尺度变化的10%，相当于整个北极地区的观测结果。研究人员通过确定空间自相关距离（完全独立样本所需的空间约60米）来评估分散限制，这将为该地区未来的采样策略提供支撑。最后，研究人员确定了与环境变量相关性较大的指标类群。本研究的意义是调查了空间尺度对典型北极景观土壤细菌群落组成的影响，并证明特定环境变量对细菌群落组成的影响取决于调查的空间尺度。此外，如果要获得完全独立的细菌群落样本需大约60米的扩散限制（空间自相关）距离。该结果将用于指导该地区和其它地区的采样策略。研究还表明，与环境关联性好的分类群可能没有反映出指示类群的景观分布。
原名：Influence of Spatial Scale on Structure of SoilBacterial Communities across an Arctic Landscape Communities across an Arctic Landscape
译名：空间尺度对北极景观土壤细菌群落结构的影响
期刊：Applied and Environmental Microbiology
IF：4.016
发表时间：2021.2
通讯作者：Lucie A. Malard & MuhammadZ. Anwar
通讯作者单位：英国诺桑比亚大学健康和生命科学学院
2017年7月，按照图1B所示的采样设计方案，在挪威斯瓦尔巴特群岛的采集44个土壤样品。每个样带内的样本间距约为50 m，样带之间的距离约为100 m。额外采集10 m和1 m间隔的样本，以研究更小尺度的模式。研究地点大概在河谷9公里处，距离朗伊尔城11公里，经纬度为78.17°N，16.02°E。植被以矮灌木/草类为主，以柳、苔藓、地衣和禾本科植物为主。
图1（A）斯瓦尔巴特群岛采样点地图，使用Arcmap 10.7版本创建。（B）Adventdalen岛的8个横断面的采样设计。（C）样带6上的小尺度样本。（D）Adventdalen岛的景观。
利用便携式全球定位系统（GPS）装置记录每个采样点的坐标。在每个采样点，用乙醇清洗的铲子和旋转袋收集顶部15 cm的土壤50 g。pH值和电导率在实验室中进行测量，土壤与水的比例为1：5。将解冻后的土壤5 g放入陶瓷坩埚中，37℃晾干5天用来分析样品的元素组成。用研钵和杵将干燥的样品压成细粉，把粉末放入样品杯，用X射线荧光光谱仪分析。
使用PowerSoil试剂盒提取土壤DNA。利用通用引物515F和806R扩增V4区，构建16S rRNA基因库。扩增子用高保真Accuprime DNA聚合酶生成，纯化后，用PicoGreen荧光计量试剂盒进行定量。Alpha多样性（丰富度、Shannon指数和Simpson指数）在QIIME v1.90上进行计算。整理结果并取平均值，得出每个样本的单个代表性值。为评价环境成分，使用corrplot软件包计算Pearson相关系数，识别环境变量之间的相关性。系数超过[0.8]表明有很强的相关性。在48个测量参数中，有35个是有代表性的。利用力矩来评估这35个环境变量分布的偏度和峰度。把采样点的地理位置（x，y）转换成笛卡尔坐标来评估空间组成。用无趋势OTU表评估空间向量（dbMEMs）的显著性，采用方差分析进行检验。利用环境变量、（x，y）坐标和显著的dbMEM向量进行变异分区分析（VPA），评价环境因子和空间因子对群落组成的影响。指示类群采用杜福瑞-勒让德指示种分析（Dufrene-Legendre），来识别与不同环境变量相关的OUT。通过克里格法绘制指示类群在整个景观中的分布，并计算指示类群与环境变量之间的相关性。结果表明，35个环境变量对细菌群落结构均有显著影响，约73%的方差可由环境因子解释（表1）。总的来说，TOC、pH、电导率、铝和砷5个关键因素对细菌群落差异的影响最大，解释了总变异的30%。其它环境因子单独解释了0.9% ~ 2.4%的变异，而土壤元素组合（不包括pH、电导率和TOC）占总变异的51.5%。
利用（x，y）地理坐标建立了9个基于距离的莫兰特征向量（dbMEM）图，通过正向选择，发现5种dbMEMs对细菌群落多样性有显著影响，这将用于后续分析。变异分区分析了环境因子、线性趋势和空间因子对群落组成的影响（图2）。环境分数X1解释了73%的方差，等于阿多尼斯函数（adonis function）的结果，这证明了变异分区的正确。使用调整后的R2值来解释模型中变量的数量，环境因素解释了54%的方差，其中38%不是空间结构。空间成分（X2+X3）解释了25.6%的变化，其中16.3%的变化可以通过诱导空间依赖性来解释。
图2 Venn图表明环境变量和空间因子对细菌群落组成影响的变异分配分析结果。距离衰减曲线说明，随着距离的增加群落相异性也增加（图3A）。动力模型(R2=0.2261；P=0.005)比线性回归（R2=0.1844；P<2.2×10-16）的拟合效果好。为进一步表征空间自相关距离，利用曼特尔相关图（图3B）计算地理距离和细菌群落差异距离之间的曼特尔统计（布雷柯蒂斯距离Bray Curtis）。在第一类距离的21 m中，空间自相关为正，表明细菌群落的相似性高于预期。第二类距离（63 m）不存在空间自相关，表明在63 m以上呈随机分布。其他距离类呈负的自相关，表明这些细菌群落的差异比预期的更大。地理位置对环境条件也有影响，距离越近的地点越相似。图3C首次显示了环境变量的空间自相关性，在地理位置上相近的25 m内，地球化学特征相似。但是，从自相关距离可以看出，在超过25 m时也可能呈现相似的环境条件（图3C）。线性回归模型也可以说明这一点(R2=0.019；P<2.2×10-16)，拟合效果最好的是动力模型（R2=0.0.087；P=0.005）。
图3 （A）距离-衰减曲线说明了细菌群落随距离的增加而增加。（B）说明扩散限制的空间自相关的曼特尔相关图。红方块表示正显著的自相关，这仅在第一类距离 (0到21 m)中发现。超过60 m时，自相关为负（黑色方块）或不显著（白色方块）。（C）距离衰减曲线说明环境变化随着距离的增加而增加。红色曲线表示线性回归，蓝色曲线表示动力模型。利用普通克里格法和半方差分析，绘制alpha多样性和关键环境变量在景观上的空间分布（图4）。整个景观的细菌丰度、多样性和均匀度都发生了变化（图4A到C），克里格图说明了多样性、均匀性和丰富度之间的关系。alpha多样性和环境变量的克里格图在景观尺度上表现出强烈的异质性，从高到低的变化范围仅在几米之内（图4D到F）。
图4 显示景观空间分布异质性的克里格图：（A）丰富度，（B）Shannon指数，（C）Simpson指数，（D）pH值，（E）总有机碳，（F）铝。指标物种分析确定了与12个环境变量相关的163个真正的OTU（统计量>0.98）。指示分类群一般和各个元素的最高浓度相关。指示分类群特有的系统发育树表明指示分类群的高分类多样性（图5），但是，图6表明，已确定的指示分类群不一定像预期的那样遵循环境梯度。在影响细菌群落的四个关键因素（不包括pH）中（表1），只有电导率和砷有相关的指示类群。电导率指标（Cond）受与高电导性有关的两个OTUs限制，它们都属于拟杆菌门（Bacteroidetes），类别属于噬纤维菌目（Cytophagales）（图5）。高电导率的峰值显示在图6A，与所识别的两个OTUs的丰度峰值相关（图6B和C）。砷的浓度在整个景观上比较均匀（图6D），平均浓度为13 ppm，最小值为1.81 ppm，最大值为20.51 ppm。这些砷的指示类群均与砷的高浓度有关（图6E至I），也与土壤中钡的高浓度有关。铁（Fe）和锰（Mn）是土壤的基本元素。铁的浓度在整个景观中具有高度的异质性，在一个地点有很强的浓度峰值（图6J）。这一浓度峰值反映了独特指示类群的存在，指示类群的丰度与这种高浓度密切相关（图6K至L）。另外，整个景观的锰浓度分布不均匀（图6M），但与其它指示类群不同的是，锰的指示类群与土壤中的低浓度有关（图6N至O）。锰的指示类群主要为变形菌门（Proteobacteria）（图5），与低浓度的铌（Nb）、铅（Pb）和锆（Zr）密切相关，与高浓度的钼（Mo）相关。
图5与环境变量相关的指示类群系统发育树显示出较高的系统发育多样性。色带表示每个OTU在门水平上的分类，标签代表分类降到科的级别，带颜色的点表示相关的元素。
图6 利用克里格图阐述景观的空间分布和异质分布。环境变量的色条表示元素浓度，或者代表OTUs的相对丰度。（框1）（A）电导率。（B）拟杆菌门（Bacteroidetes），噬纤维菌目（Cytophagales）。（C）拟杆菌门（Bacteroidetes），噬纤维菌目（Cytophagales）。（框2）（D）砷。（E）厚壁菌门（Firmicutes），未知梭菌目（Clostridiales）。（F）盐厌氧菌（Halanaerobiales）类，盐厌氧菌目（Halanaerobiales）。（G）盐厌氧菌类（Halanaerobiales），盐厌氧菌目（Halanaerobiales）。（H）芽单苞菌门（Gemmatimonadetes），芽单苞菌目（Gemmatimonadetes）（I）念珠菌类（Candidatus Parcubacteria），白喉念珠菌科（Candidatus Azambacteria）。（框3）（J）铁。（K）变形菌门（Proteobacteria），蛭弧菌目（Bdellovibrionales）。（L）蓝藻细菌（Cyanobacteria），颤藻目（Cyanobacteria）。（框4）（M）锰。（N）衣原体门（Chlamydiae），衣原体目（Chlamydiaes）。（O）变形菌门（Proteobacteria）。总有机碳（TOC）、pH值和电导率是整个北极地区细菌多样性的关键驱动因素，而pH值是整个北极地区的北极土壤细菌多样性的主要驱动因素。在景观尺度上，TOC是影响细菌群落结构的主要因子，与土壤湿度密切相关。土壤有机碳含量随降水量的增加和气温的降低呈增加趋势。在北极冻土带，降水，融雪和冻土融化对整个景观的土壤水分和水文有重大影响。铝和砷是细菌群落结构变化的第4和第5个环境变量（表1）。铝是地壳中含量最丰富的金属之一，微生物与土壤中的铝不断相互作用。在本研究中，整个景观中pH值的变化很小，但铝浓度的变化很大，这两者之间没有相关性。砷在自然环境中普遍存在，含量低，是公认的毒性最强的元素之一。随着砷浓度的增加，细菌多样性和丰富度降低，这可能说明砷酸氧阴离子对许多细菌有毒性作用。与Al3+一样，因为没有测量不同价态的砷的化学浓度，所以我们不能得出毒性对细菌群落结构有影响的结论，但这种情况是有可能的。所有其它测量元素对细菌群落都有一定的影响（表1），从关键主要元素硫、钙、硅等，到关键微量元素铁、锰、镁、锌、铜、钼、镉等，以及溴、钇、铅等有毒或无毒元素。
环境变量具有高度异质性，这反映在alpha多样性和指示类群的分布上。通过指示物种分析，确定了很多与环境相关的OUT，并在12个环境变量中确定了163个真正的OUT。系统发育树表明（图5），这些指示类群的多样性很高，其中包括变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Chloroflexi）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、浮霉菌门（Planctomycetes）和疣微菌门（Verrucomicrobia）。虽然一些分析表明OTU与测量的环境参数之间有很大的关联性，但它也说明了利用指标类群进行监测的难度，因为已识别的关联数量庞大，而且整个景观的异质性很高。这一点很明显，当关键指标类群分布在整个景观中时，它们并没有明确地遵循相关环境变量的分布。此外，虽然指示类群可能被识别，但它们不一定参与相关的元素循环。
变异划分分析量化了选择（确定性）和分散（随机）细菌群落结构的重要性。环境变量解释了54%的总变异，对应于选择，16%是空间结构，对应于诱导的空间依赖性。然后，空间成分单独解释了10%的变化，说明了空间自相关或扩散。
具体来说，环境因子的距离衰-减曲线表明，土壤性质的空间自相关在25 m左右，但是这是整体的空间自相关，因为每个变量在不同的距离内都是自相关的。在这个距离之后，环境变量是独立的。此外，即使是高度相似的环境条件也可能有不同的细菌群落，这进一步说明扩散和其它过程（如漂移或多样化）的潜在影响。
这些结果表明，25 m范围内细菌群落形成的重要因素可能是诱导的空间依赖性，也就是说，由于土壤性质非常相似，细菌群落也相似。在25-60 m之间，环境变异性增加，但群落相对相似，说明扩散可能是形成细菌群落的主要过程。超过60 m时，环境具有高度异质性，细菌群落具有高度差异性，选择可能是形成群落的主要过程。
63%的细菌群落组合变异(R2=81%)可以被解释，37%的变异仍未被解释。许多因素，无论是生物的还是非生物的，都可能影响细菌群落。从本研究的结果来看，大多数气候和地形变量对群落结构变化的影响不大。相反，其它土壤因素，如全氮或全磷含量和粘土、粉砂含量，以及冰或土壤质地的存在，可能对局部群落结构有更大的影响。
本研究中，在景观尺度上，空间因子占群落组成变化的10%左右，这表明尽管参与群落结构形成的过程的作用和程度可能不同，但扩散作用在该地区可能是稳定的。此外，在不同尺度下对不同驱动环境因子的识别，突显其对空间尺度的依赖性。总的来说，本研究认为25 m内的细菌群落形成受诱导的空间依赖性影响。在25-60 m之间，扩散可能是细菌群落形成的主要过程，超过60 m时，选择可能是细菌群落形成的主要过程。由于该地区的土壤扩散范围可能限制在60 m以内，因此在采集独立样本时，应在超过60 m的范围内进行土壤采样。最后，通过绘制指示类群在景观中的空间分布，发现这些细菌类群在景观中的分布可能并没有反映出高度的类群-环境关联。
调查尺度是在细菌生物地理学研究中必须要考虑的一个关键参数。研究发现关键的环境驱动因素在空间尺度上存在差异。在区域尺度上，多样性主要受水温、气温和湿度的影响，在大陆尺度上，主要受硝酸盐浓度和气温的影响。综合考虑所有尺度，地理距离、沉积物湿度、气温是影响沉积物湿度变化的主要因素。细菌群落组成在受环境因素的影响很大，在北极地区也是如此。然而，却很少有人研究空间因素在这些群落结构中的作用。本研究的第一个目的是评价空间尺度对细菌群落结构的影响。第二个目标是分析研究地区采集独立土壤样品所需的最小距离。本研究中，研究人员评估了空间尺度对北极景观细菌群落结构的影响。结果表明，空间因子大约占景观尺度变化的10%，相当于整个北极地区的观测结果，这说明参与群落结构的其它过程的作用和规模虽然可能不同，但是扩散的作用在该地区是稳定的。研究人员通过确定空间自相关距离（完全独立样本所需的空间约60米）来评估扩散限制，这可能会为该地区未来的采样策略提供信息。最后，研究人员确定了与环境变量相关性较大的指标类群。但是，这些与环境关联性好的分类群并不总是反映在这些分类群的地理分布中。本研究的主要目的是，1.评估空间尺度对整个北极景观中细菌群落结构的影响；2.第二个目标是确定获得独立土壤样品所需的最小距离，为以后在北极地区采样提供信息；3.确定与环境变量密切相关的指标类群，并绘制指标类群在景观中的空间分布。从采样点的设计以及研究结果来看，研究结果表明空间尺度对细菌群落组成有影响，获得独立的细菌群落样本空间自相关距离大约是60 m。
