科研 | 中国林科院尚鹤等：提高臭氧对土壤细菌和真菌群落及碳氮动态的影响
本文由艾奥里亚编译，董小橙、江舜尧编辑。
原创微文，欢迎转发转载。
目前的研究发现高浓度O3对植物生理存在负面影响，但有关O3浓度升高对地下过程和土壤微生物功能影响的研究较少。本研究基于高通量测序分析，探究了提高O3浓度对土壤性质、微生物生物量以及微生物群落组成的影响。研究选择中国亚热带地区两种特有的一年生树种Taxus Chinensis，Rehd.var. Chinensis以及Machilus ichangensisRehd. Et Wils作为研究对象，设定活性炭过滤空气（CF作为对照），100nl l−1（E100）以及150nl l−1（E150）O3含量的三种不同处理。结果表明，较高的O3浓度（E150）显著降低了M. ichangensis中土壤微生物碳、氮含量，同时E150显著降低了两种树木中土壤有机质含量。虽然不同O3处理都降低了T. chinensis中的NO3-N含量，但只有E150增加M. ichangensis的NO3-N含量，且O3对NH4-N没有影响。此外，O3浓度升高引起两种树木土壤微生物群落结构的变化并且降低了土壤真菌多样性。O3降低了M. ichangensis中的细菌多样性，但对T. chinensis中土壤细菌多样性没有影响。微生物组成功能方面，O3浓度升高总体上改变了细菌和真菌的丰度，尤其是硝化细菌的相对丰度降低，部分具有反硝化能力的真菌类群的相对丰度增加，从而刺激N2O的排放。基于以上结果，高浓度的O3不仅影响土壤微生物群落结构，而且对微生物群落的功能产生影响。
论文ID
原名：Elevated O3 alters soil bacterial and fungal communities and the dynamics of carbon and nitrogen
译名：提高O3对土壤细菌和真菌群落及碳氮动态的影响
期刊：Science of the Total Environment
IF：4.61
发表时间：2019年
通信作者：尚鹤
通信作者单位：中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 国家林业局森林生态环境重点实验室
实验设计
实验样地选择在中国科学院亚热带季风气候带的千烟洲生态试验站，试验期间，该地区年平均气温为17.8℃，年降水量为1471.2 mm，年蒸发量为259.9 mm，平均相对湿度为83%。试验容器为八边形，直径2 m，高2.2 m，容器间距4 m，试验周期8个月，在每个试验容器内放置多个透明孔管（直径10毫米，间隔10厘米），分别用于释放活性炭过滤后的空气（记为空白组，CF）以及添加O3的炭过滤空气（O3处理组），在处理组中设置两种不同水平，分别为低臭氧处理（E100）和高臭氧处理（E150），每组三个重复。采用熏蒸法在每天9点到17点间使处理组O3浓度分别达到E100和E150水平，即96.3和147.06 nl l−1。所有的容器均用塑料板分成两部分，每部分种植两种实验树种中的一种。在实验结束时，每一棵植物周围的每15厘米直径的范围内随机采集4个土芯（10厘米深，3.5厘米直径），将其完全混合成一个复合的有代表性的土壤样品，并用于理化和微生物分析。
实验内容
1 土壤理化性质与土壤微生物量
两种树种土壤样本中的土壤微生物量和大多数土壤理化参数均与空白组样本相似。E150处理显著降低了土壤微生物碳（MBC）和土壤微生物氮（MBN），提高了M. ichangensis中土壤可溶性氮（DN）和硝态氮（NO3-N）含量。而高浓度O3对T. chinensis的土壤MBC、MBN和DN没有影响，但显著降低了NO3-N的含量。O3浓度升高使两种植物的pH值均降低。与空白组（CF）相比，在两种植物土壤样本中，仅E150处理降低了土壤总有机质含量（表1）。
表1 高浓度O3对土壤微生物量和土壤性质的影响。
括号内的P值表示同一树种的对照组和处理组平均值之间的显著差异（Y代表M. ichangensis，H代表T. chinensis）。“ns”代表不同相互作用情况无显著差异。
2 土壤微生物多样性
与M. ichangensis的土壤相比，T. chinensis土壤中的细菌和真菌群落的多样性更加丰富。与对照相比，提高O3浓度显著降低了M. ichangensis相关土壤微生物多样性，但对T. chinensis中的土壤细菌多样性没有显著影响。在M. ichangensis相关的细菌群落中，检测到较低的细菌分类群丰富度；与空白组相比，处理组E100和E150两种O3水平使多样性指数分别降低了20.4%（p=0.028）和38.0%（p=0.001），使Shannon–Wiener指数分别降低了10.8%（p>0.05）和21.3%（p=0.016）。与CF处理相比，升高O3浓度显著降低M. ichangensis相关的土壤中真菌OTU的丰富度，分别降低了7.11%和8.70%（p=0.041）；在T. chinensis相关的土壤中，总真菌含量分别降低8.19%（p=0.02）和10.14%（p=0.007），但对Shannon–Wiener指数没有影响。
表2 升高O3浓度对土壤细菌和真菌多样性的影响。
括号内的P值表示同一树种的对照组和处理组平均值之间的显著差异（Y代表M. ichangensis，H代表T. chinensis）。“ns”代表不同相互作用情况无显著差异。
3 土壤微生物群落结构和组成
对于这两种树种，主坐标分析（PCoA）描绘了不同O3处理之间土壤细菌、古细菌（图1A）和真菌群落组成（图1B）的变化。土壤细菌和真菌群落结构与CF处理中相似，基于O3处理和种类的不同而聚在一起。其中，O3是M. ichangensis细菌群落组成的主要驱动因素（图1）。虽然在T. chinensis中观察到相似的结果，但这些细菌群落不同于M. ichangensis的细菌群落。对真菌ITS而言，T. chinensis和M. ichangensis的对照组均松散聚在一起。同样，虽然E100Y与E100H真菌群以及E150H和E150Y真菌群落相似，但这些真菌群落都是按树种和来自同一处理组的不同样本聚类在一起。
图1 土壤细菌、古细菌16S（a）和真菌ITS（b）群落的主坐标分析。对土壤真菌和细菌群落的PERMANOVA分析表明，臭氧（p<0.001）、树种（p<0.001）具有显著的主效应，臭氧与树种之间具有显著的交互作用（p<0.001）。。
所有土壤样本中主要优势细菌门包括Proteobacteria，Acidobacteria，Firmicutes，Actinobacteria以及Chloroflexi（图2A）。对于M. ichangensis而言，臭氧处理对最丰富的两个门有相反的效果。与CFY相比，臭氧处理显著降低了M. ichangensis中Proteobacteria的相对丰度，但E100和E150两种处理分别使Firmicutes增加了2倍和3倍。然而在T. chinensis组中，臭氧处理对Proteobacteria和Firmicutes的相对丰度无显著影响，仅E150水平下增加了Acidobacteria的相对丰度。升高O3浓度会使β-Proteobacteria，δ-Proteobacteria，Nitrospira以及Gemmatimonadetes浓度保持在较低水平（图2B）。在M. ichangensis组中，臭氧处理（如E150）可以通过逐渐降低Alphaproteobacteria，Thermoleophilia，Actinobacteria以及Acidimicrobiia的相对丰度从而对总的微生物类群造成影响。相反，对于T. chinensis而言，E150水平处理下Nitrospira，β-Proteobacteria以及δ-Proteobacteria的相对丰度降低，而在中等程度的O3处理下（E100），Gammaproteobacteria和Acidimicrobiia的相对丰度增加。
图2 细菌在门（a）和科（B）水平下在不同样本中主要优势细菌的系统发育类群的分类。
在所有的树种和O3水平处理下，Ascomycota均为主要优势真菌（占80%以上），其次为Mucoromycota。第三优势真菌为Basidiomycota，当提高O3浓度时，其相对丰度在M. ichangensis组中有所增加（图3A）。Sordariomycetes在所有土壤样本中为主要真菌科，在M. ichangensis组E150臭氧水平处理下，其相对丰度低于空白组（CFY）；但在T. chinensis组E100臭氧水平处理下，其相对丰度高于空白组（CFH）。高浓度臭氧处理（E150）显著增加了Eurotiomycetan的相对丰度。在M. ichangensis和T. chinensis组中，随着O3浓度的增加，Dothideomycetes的相对丰度也得到了增加。
图3 真菌在门（a）和科（B）水平下在不同样本中主要优势真菌的系统发育类群的分类。
提高O3浓度后，和硝化作用相关的微生物相对丰度下降，这其中包括α-，β-，δ-，γ-Proteobacteria以及Nitrospira。在M. ichangensis组中，不同O3水平均显著降低了β-，δ-，γ-Proteobacteria以及Nitrospira的相对丰度，但仅E150水平处理下，Alphaproteobacteria的相对丰度表现出较低的水平。对T. chinensis而言，仅E150水平下显著降低了β-，δ-Proteobacteria以及Nitrospira的相对丰度（表SI3）。我们还检测了升高的O3对产生N2O的真菌和细菌类群的影响。尽管在E100水平下并未检测到可以产N2O的微生物造成影响，但E150水平下显著增加了Eurotialean真菌（如Penicillium），Hypocrealean真菌（如Acremonium）的相对丰度，同样也增加了细菌的相对丰度（如Bacillus）（表3）。
表3 O3浓度升高对N2O产生的显著影响。
括号内的P值表示同一树种的对照组和处理组平均值之间的显著差异（Y代表M. ichangensis，H代表T. chinensis）。
4 土壤微生物群落与O3熏蒸和土壤性质的联系
对土壤真菌和细菌群落的PERMANOVA分析结果表明，臭氧（p<0.001）、树种（p<0.001）、有机质（p<0.001）和土壤pH（p<0.001）表现出显著的主效应，臭氧与树种之间存在显著的交互作用（p<0.001）。当同时考虑树种和臭氧处理时，土壤pH（p<0.001）和NH4+/NO3−（p<0.021）之间存在显著的交互作用。细菌和真菌群落结构的冗余分析（RDA）表明，AOT40和土壤pH是细菌和真菌群落结构的强大驱动力（图4）。
图4 冗余度分析揭示土壤细菌群落（a）和真菌群落（b）对O3熏蒸处理的响应及其与土壤性状的相关性。
结 论
与空白组（CF）相比，O3暴露使M. ichangensis和T. chinensis组中土壤微生物量和土壤pH降低。虽然O3升高会显著改变两种树种的土壤群落结构，但仅降低了M. ichangensis组中的土壤微生物多样性，而对T. chinensis组中土壤细菌多样性无显著差异。以上结果表明M. ichangensis组中的土壤微生物比T. chinensis组中土壤微生物更加敏感。通过提高O3浓度，在影响土壤微生物群落结构和多样性的同时，对土壤碳氮循环同样造成影响。本研究中，随着O3的增加，一些参与碳循环复杂过程的细菌和真菌增加，而另一些则减少。O3对氮循环也有一定的影响，升高的O3降低了α-、β-、δ-Proteobacteria和Nitrospira等的相对丰度，并有可能抑制硝化作用，影响氮循环。升高的O3还可能通过增加反硝化真菌类群的相对丰度而影响反硝化过程，这表面上可能导致N2O排放的增加。AOT40和土壤pH是细菌和真菌群落结构的主要驱动因素，O3与土壤pH变化的联合作用可能进一步影响土壤微生物群落组成和功能。
你可能还喜欢
（1）科研 | Nature子刊：根系分泌的代谢物通过塑造根际微生物群来驱动植物-土壤对生长和防御的反馈
（2）科研 | ISME：氮沉降对全球土壤微生物的负效应 (国人作品)
（3）科研 | ISME：升温改变功能性微生物群落增强有机碳分解（国人作品）
（4）科研 | Nature：地球表层土壤微生物群落的结构和功能
（5）科研 | ISME：空间结构对土壤微生物间一种新型营养缺陷相互作用的影响
（6）综述|Nature review microbiology：多年冻土的微生物生态学
（7）科研 | 多环芳烃污染对土壤微生物多样性及共代谢途径的影响
你可能还需要👇