科研 | SBB：：土壤质地和相关特性对土壤微生物的多样性和组成的影响
编译：Cathy，编辑：小菌菌、江舜尧。
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土壤质地是土壤调查中评估土地使用、管理潜力和局限性的基本组成部分，它被认为是许多土壤过程的重要预测因子。然而，其与土壤微生物群落多样性和组成的联系仍然鲜为人知。
因此，本工作采用了标记基因高通量测序方法来确定有关土壤质地的细菌和真菌分布模式。本研究从百慕达草生态系统的七种土壤质地中采集了36个土芯，其中砂粒级的比例为30.3％到83.4％，黏粒级的比例为4.4％到53.0％。接着将这些土芯均分为三组，每组的12个样本分别设置三种湿度条件（干旱，田间持水量和饱和含水量），每种条件持续15天。然后将土芯进一步分为顶部和底部，得到72个具有不同土壤理化性质的样本。最终，我们的数据表明，与细菌α多样性相比，真菌α多样性与土壤质地更紧密相关，它的物种丰富度和香农多样性与砂粒呈正相关。土壤质地是构建土壤微生物群落仅次于pH的第二驱动因素。随着粉粒和/或黏粒含量的增加，某些真菌（担子菌门和盘菌亚门）和丝状细菌（放线菌门，绿弯菌门）的相对丰度显著增加。细质地土壤降解有机化合物的遗传潜力似乎也比粗质地土壤更高。通过鉴定砂粒级，粉粒级或黏粒级土壤优选的微生物类群并表征与矿物颗粒相关的有机碳降解和氮循环的遗传潜力，本工作强调了土壤质地和与质地相关的孔隙以及资源局部性在调节微生物多样性和群落组成方面的重要性。
论文ID
原名：Soil microbial diversity and composition: Links to soil texture and associated properties
译名：土壤微生物的多样性和组成：与土壤质地和相关特性有关
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：5.795
发表时间：2020.10
通讯作者：Wei Shi
作者单位：北卡罗莱纳州立大学
实验设计
结果
1 土壤理化性质
72个土壤样本的总碳，氮，无机氮，黏粒含量和水分（70-80％CV）变化最大，孔隙度，砂粒和粉粒含量（20-30％CV）变化适中，pH变化最少（10％CV）。这些样品分布在七种土壤质地中：壤砂土，砂壤土，砂黏壤土，壤土，砂黏土，黏壤土和黏土（图1），砂粒占比为30.3％至83.4％，黏粒占比为4.4％至53.0％，粉粒占比为11.7%至38.8％。土壤碳和氮，无机氮和水分的较大变化部分归因于对土芯的处理。深度分层将富营养和贫瘠的土壤分开，顶部土壤的总碳，氮和无机氮是底部的三倍；干燥处理使新鲜土壤样本的水分减少了约75％。尽管微湿和湿润处理之间的土壤水分在统计学上没有差异，但湿润处理使充满水的土壤孔隙空间（WFPS）增加了约20％。此外，土壤样本呈弱酸性，pH值在4.2-7.2之间，不受土芯处理的影响。
图1 从百慕达草高尔夫球场收集的36个完整的土芯（0-10厘米深）在土壤质地三角形上的分布，每个点代表一个土芯。
2 微生物α多样性及其与土壤特性的关系
通过测定物种指数（observed OTUs），香农多样性指数（Shannon diversity index），均匀度（evenness）和Faith系统发育多样性指数（PD）来评估细菌和真菌的α多样性。这些指标在土壤样本中变化不大，测定物种指数和Faith系统发育多样性指数的变异系数为24–37％，香农多样性指数和均匀度的变异系数为3–13％。α多样性指数与土壤理化特性之间的Spearman等级相关系数（ρ）分为四类：强（|ρ|>0.7），中（0.7≤|ρ| <0.5），弱（0.5≤|ρ| <0.3）和可忽略（|ρ |≤0.3）（图2）。对于细菌群落来说，均匀度是与土壤特性最显著相关的指数。当对所有土壤样本进行分析时，均匀度主要随土壤pH的增加而增加。当对土壤样本的一个子集（例如，顶部和湿润）进行分析时，发现均匀度也受到土壤质地的中等影响，其随砂粒含量下降而随黏粒含量增加。对于真菌群落来说，测定物种指数似乎是与土壤特性最显著相关的指数，并且主要受土壤质地的影响（图2）。无论样本量多少（例如，全部，底部和微湿），测定物种指数均与黏粒含量呈负相关，与砂粒含量呈正相关。当对土壤样本的一个子集（例如，底部和干燥）分析时，发现测定物种指数也受到土壤pH的负面影响。
图2 整个土壤样本集（全部）、不同土壤深度样本子集（顶部和底部）以及不同湿度样本子集（干燥、微湿和湿润）的细菌和真菌α多样性指数（测定物种指数，香农多样性指数，均匀度和Faith系统发育多样性指数）与土壤理化性质的Spearman等级相关系数热图。正方形的大小和颜色分别表示相关系数的大小和方向。水分，重量含水量；WFPS，充满水的孔隙的空间；TC，土壤总碳；InorgN，无机氮；Sand, Silt, Clay, 砂粒，粉粒和黏粒的百分比。
3 微生物β多样性及其与土壤特性的关系
由于土壤特性的巨大变化，七十二个土壤样本在PCoA图上较为分散。但是，这些样本是根据单个土壤特性聚集的。其中，砂粒含量高的土壤样本与砂粒含量低的土壤样本分离。pH较低的土壤样本与中性pH的样本分离。基于距离的线性模型（distLM）表明，土壤pH，砂粒或黏粒的百分比，总碳和无机氮均与细菌和真菌群落组成显著相关。细菌群落组成也与土壤孔隙度和湿度有关。然而，没有任何单个土壤特性解释了细菌和真菌群落大于8％的变化，所有的土壤特性也仅分别解释了细菌和真菌群落变化的22％和17％。此外，土壤特性在解释微生物β多样性方面的相对重要性似乎随土壤湿度和分层的处理而变化。在干燥处理下， pH解释了细菌和真菌群落更多的变化。相比之下，在微湿或湿润处理下，砂粒的百分比最为重要。同时，本研究还发现砂粒的百分比在解释底部土壤中的微生物群落组成方面比顶部土壤更为重要。
4 单个类群与土壤特性之间的联系
在土壤样本中总共检测到48个细菌门。丰度最高的门是变形菌门，平均约占34％，其次是酸杆菌门（约19％），放线菌门（约17％），绿弯菌门（约10％），拟杆菌门（约4％），浮霉菌门（约2％），硝化螺旋菌门（约2％）和厚壁菌门（约2％）（图3）。从门到属水平的46种丰富的细菌类群（相对丰度> 2％）中，约89％的细菌与一种或多种土壤特性具有显著相关性。23个类群与土壤质地（砂粒，粉粒或黏粒）相关，19个与pH相关，15个与水/通气条件（孔隙度，湿度或WFPS）相关，11个与土壤养分（总C或无机N）相关。
图3 从门到属的主要细菌类群的相对丰度（平均相对丰度大于2％）与土壤特性之间Spearman等级相关系数的热图。正方形的大小和颜色分别表示相关系数的大小和方向。水平箱线图显示单个类群的相对丰度，如果一个类群及其亚类群具有相同的Spearman等级相关系数以及相对丰度（例如，酸微菌纲和酸微菌目），则它们会在热图上合并为一条线/行。
放线菌门及其亚类群主要受土壤质地的影响，除酸微菌纲外，随着砂粒含量的增加，它们的相对丰度有所下降。通常，细菌与砂粒和黏粒的相关性是相反的，因为砂粒和黏粒是负相关的（斯皮尔曼等级相关系数ρ= -0.91）。变形菌门及其亚类群也显示出与土壤质地微弱却显著的相关性，但不同类群的方向是不同的，例如，砂粒与β-变形杆菌和δ-变形杆菌呈正相关，而与慢生根瘤菌科呈负相关。与放线菌门和变形菌门不同，酸杆菌门及其亚类群主要与土壤pH相关。同样，浮霉菌门也与土壤pH呈负相关。一些细菌类群，包括拟杆菌门，γ-变形杆菌及其亚类群，与土壤养分（例如土壤总碳和无机氮）和水/通风条件（例如孔隙度和湿度）呈正相关。硝化螺旋菌门及其亚类群与砂粒含量呈负相关，与pH呈正相关。绿弯菌门是唯一一个与所有土壤特性都相关的门，WFPS仅影响索利氏菌纲及其亚类群。值得一提的是，土壤质地与细菌相对丰度之间的相关性随土壤分层处理（即顶部与底部）的变化而变化，尽管两者的方向通常相似。例如，底部α-，β-和γ-变形杆菌与土壤质地的相关性比顶部更强。此外，我们还注意到，在顶部通气和水分条件对细菌相对丰度的影响大于底部。但是，底部的细菌类群比顶部更多，这表明其与土壤总碳或氮呈显著正相关。
真菌由14个门组成，主要为子囊菌门（51％），其次是被孢霉门（9.3％）和担子菌门（5.6％）（图4）。其中，40个丰富的类群（相对丰度大于1％）中有16个显示出与土壤特性中等（或较弱）却显著的相关性。但是，一半的关联是担子菌门、子囊菌门和土壤质地（砂粒，粉粒或黏粒）的相关性，其与砂粒含量呈负相关，而与粉粒/黏粒含量呈正相关。镰刀菌属是土壤真菌的一个大属，与黏粒具有最强的正相关性（斯皮尔曼等级相关系数ρ= 0.52）（图4）。格孢菌科及其成员主要与土壤pH和养分状况有关，与土壤pH呈负相关，与土壤总碳和无机氮呈正相关。像细菌一样，土壤分层处理也改变了土壤质地和真菌群落之间的相关程度。底部和顶部的座囊菌纲及其亚类群与黏粒的相关性相反，这种方向性差异可能是由于通气/水和养分的混杂影响所致。此外，与细菌相反，顶部的真菌类群比底部多，表明其与土壤总碳或氮呈现显著的负相关。
图4 从门到属的主要真菌类群（平均相对丰度大于1％）的相对丰度与土壤特性之间Spearman等级相关系数的热图。
5 功能基因及其与土壤特性的关系
我们检测了32种可能参与氮代谢（包括NH4+的同化、硝化、反硝化、固氮、NO3−还原为NH4+（DNRA），NO3−还原为NH4 +和矿化）的细菌基因的相对丰度（图5）。其中，谷氨酸合成酶基因（glnA）丰度最高，而硝化基因通常丰度最低。同时，我们发现有25个基因与土壤特性显著相关，其中56％与土壤质地（砂粒，粉粒或黏粒）相关，48％与土壤pH相关，48％与土壤养分状况以及水/通气条件相关。
图5 N循环（或C降解）的基因拷贝数与土壤特性之间的Spearman等级相关系数的热图。正方形的大小和颜色分别表示相关系数的大小和方向。水平箱线图显示了基因的拷贝数。
参与NO3−还原反应的基因，包括反硝化，DNRA和将NO3−吸收还原为NH4+，在很大程度上与土壤质地有关。其中，在检测的10个反硝化基因中，1个与黏粒含量呈显著正相关，5个与粉粒呈负相关。 DNRA基因之一（nrfH）也与粉粒含量呈显著负相关。相反，参与NO3−还原的基因（nasA和nasB）与砂粒呈显著负相关（ρ<-0.7），但与粉粒或黏粒呈正相关。显然，这些基因与粉粒的关系取决于砂粒是否是重要因素。当砂粒不是显著影响因子时，粉粒表现出负面影响；否则，粉粒则表现出正面作用。此外，反硝化和DNRA的基因与pH呈正相关，而将NO3−还原为NH4+的基因与pH呈负相关。
除了土壤质地的影响外，负责固氮和硝化作用的基因与土壤养分，水/通气条件和/或土壤pH相关。固氮基因与土壤总碳和孔隙度呈微弱的负相关，而硝化基因与土壤总碳和孔隙度呈正相关。此外，土壤pH与硝化基因呈现负相关（-0.5 <ρ<-0.3）。氮矿化和细胞外酶的基因与土壤质地，pH，养分状况和水/通气条件之间存在弱或中等的相关性。
除编码β-葡萄糖苷酶和葡萄糖淀粉酶的基因外，C代谢的基因与砂粒含量呈负相关，或与粉粒或黏粒含量呈正相关。果胶降解的两个基因与土壤pH显示出相反的相关性。不一致的是，所有碳代谢基因均与土壤养分状况和水分/通气条件不相关。
结论
本工作强调了土壤质地在调节土壤微生物丰度和分布方面的重要性，并发现了土壤质地对真菌和细菌群落的不同影响。第一，相比于细菌来说，土壤质地对真菌α多样性有更重要的影响，在粗质地土壤中，真菌丰富度和香农多样性指数提高。第二，土壤质地对微生物群落结构的影响是与物种相关的。粉粒和/或黏粒含量提升了丝状细菌（放线菌门和绿弯菌门）和一些真菌类群（担子菌门和散囊菌纲）的相对丰度。第三，细质地土壤提升了可能参与有机质降解的细菌基因的丰度。特定微生物群的颗粒/孔径大小依赖性分布可能是微生物群落结构和功能与土壤质地联系的驱动因素。
本研究还确定了与质地无关的微生物类群和功能。拟杆菌门似乎更具资源亲和力，而酸杆菌门更依赖pH。与氮矿化， NO3-还原为NH4 +，反硝化和DNRA不同，硝化和固氮的潜力与土壤质地完全无关。但是，在构建微生物群落结构和组成方面，土壤质地是仅次于土壤pH值的第二重要因素。我们的数据表明，质地对土壤微生物群落结构和功能的影响很可能是通过孔隙和颗粒尺度的有机物分布造成的。
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