天昊客戶新文：海螺溝冰川不同年代土壤細菌和真菌群落的演替軌跡和驅動力

發(fā)稿時間：2018-01-16來源：天昊生物

 

中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所近期在《Soil Biology and Biochemistry》上發(fā)表了不同冰川年代的土壤細菌和真菌群落具有不同組合方式和驅動力的文章。在這項研究中天昊生物有幸承擔了樣品的擴增子測序和生物信息學分析工作。在恭喜客戶又發(fā)表文章同時，我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目：Divergent assemblage patterns and driving forces for bacterial and fungal communities along a glacier forefield chronosequence

中文題目：不同冰川年代的土壤細菌和真菌群落具有不同組合方式和驅動力

期刊名：Soil Biology and Biochemistry     發(fā)表時間： 2018年1月    影響因子：4.857

研究目的: 

盡管微生物在冰川地區(qū)成土過程和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展中無處不在，并且起著關鍵的生態(tài)功能，但是細菌和真菌有著截然不同的演替軌跡，并且關于群落的驅動力仍不清楚。在這項研究中，分析了海螺溝冰川變化的七個不同階段相關細菌和真菌群落，量化其分類組成和演替動態(tài)，并從中解讀植物建立、土壤發(fā)育和線蟲對微生物演替軌跡的影響。

研究對象：

觀察到的海螺溝冰川衰退始于1823年，自20世紀初以來已明顯加速。這項研究是在7個經(jīng)歷長期初級演替的地點進行的，它們分別處于末次冰消期后的不同時間（從裸土到開荒植被群落，最終達到頂極植被群落）。每個階段的大致年齡根據(jù)樹的年輪和¹³⁷ Cs評估的土壤侵蝕速率進行校正，最終分為7個時間階段（1階段：冰川衰退后3年，到7階段：冰川衰退后120年）。

在每個時間階段，使用3個5×5m的實驗地塊（在1和2階段，因為區(qū)域較小所以使用2×2m地塊）。植物群落的分類確定到種水平，以評估植物的豐富性（包括喬木，灌木和草本層），所有取樣的植物材料按種類進行分類，然后烘干和稱重。用一個直徑為5厘米的土壤取樣器從每塊地中心和5個角落采集土壤樣本，五份土壤混成一份樣本，通過2mm篩除去根，約200克的土壤分為三個部分：（1）土壤理化性質分析；（2）土壤線蟲群落分析；（3）土壤微生物生物量測定和DNA提取。

測序技術：細菌16S rRNA擴增子測序（V4-V5）和真菌ITS1擴增子測序

研究結果：

微生物群落組成、結構和系統(tǒng)發(fā)育多樣性

• 優(yōu)勢細菌主要是：變形菌門（44.19%）、酸桿菌門（21.25%）、擬桿菌門（9.11%）、浮霉菌門（4.1%）、放線菌門（3.57%）、綠彎菌門（3.10%）、芽單胞菌門（2.34%）和疣微菌門（2.03%）（圖1a）。
• 優(yōu)勢真菌主要是：子囊菌門(48.14%)、擔子菌門(36.84%)、接合菌門(4.13%)（圖1b）。
• NMDS分析能把細菌整體分為三個群：第1階段為cluster1，第2-5階段為cluster2，第6-7階段為cluster3，三個cluster之間沒有重疊（圖1c）。
• NMDS分析能把真菌體分為2個群：早期（階段1-5）和后期（階段6 -7）（圖1d）。與真菌相比，每個時間階段的細菌聚集的更緊密（圖1c和d）。

 

圖1 海螺溝冰川不同演替階段的細菌（A，C）和真菌（B，D）物種組成和NMDS分析。

共生網(wǎng)絡分析

• 共生網(wǎng)絡表明細菌和真菌群落的復雜性在中間時間階段達到頂峰，其節(jié)點和邊緣數(shù)量最高（圖2）。
• 細菌重疊的節(jié)點主要屬于Proteobacteria（變形菌門）和Acidobacteria（酸桿菌門），真菌重疊的節(jié)點主要屬于Ascomycota（子囊菌門）和Basidiomycota（擔子菌門）（圖2）。
• 對于細菌，與Acidiferrobacter、Geobacter、Hyphomicrobium、Polaromonas、Thiobacillus、Arthobacter主要存在于階段1和2；Gp1、Gp2、Granulicella、Bradyrhizobium、Burkholderia、Phenylobacterium、Opitutus主要存在于階段6和7。對于真菌， Massarina、Alternaria、Boeremia、Mortierella、Mycoarthris、Neobulgaria、Otidea主要存在于早期階段，Sebacina、Tomentella、Russula、Inocybe主要存在于晚期階段。

 

 

圖2 海螺溝冰川不同演替階段的細菌（A）和真菌（B）共生網(wǎng)絡分析。

土壤和生物因素與微生物群落的關系

• 通過冗余分析區(qū)分了3個細菌群落和2個真菌群落，在環(huán)境因子中，ph、總磷、土壤有機碳、凋落物C/N和植物豐富度與微生物群落密切相關（圖3a和b）。
• 變分分析表明相對于生物因素，土壤性質在確定細菌和真菌群落結構方面更為重要，尤其是在早期階段1–5, 在最后的兩個階段，隨著森林的建立，生物因素以及生物和土壤互作越來越重要（圖3c和d）。
• 結構方程模型表明，環(huán)境因素影響排名按以下順序：1)細菌: 土壤全磷（0.66）、土壤pH值（0.64），土壤SOC（0.44）, 植物豐富度（0.36）和線蟲放牧（0.25）;  2)真菌: SOC（0.62）, 食線蟲（0.57）, pH值（0.52），植物豐富度（0.48）和總磷（0.10）（圖3e、f）。

 

圖3 海螺溝冰川不同演替階段的細菌和真菌群落與環(huán)境因素的RDA（a,b）、VPA（c,d）和SEM（e,f）分析。AP速效磷；SOC土壤有機碳；TN總氮；TP總磷。實心箭頭和虛線箭頭分別表示正相關和負相關，箭頭的粗細反映標準化系數(shù)大小。

 

不同生物群的反應和驅動力對比

• 四個生物群的豐富度和生物量表現(xiàn)出類似的反應（圖4a、b）。植物和線蟲的豐富度反應最高，細菌的豐富度反應最低（圖4a），另一方面，真菌的生物量反應最大，其次是細菌、植物和線蟲（圖4b）。大多數(shù)生物群在第5階段達到最大的豐富度，在第6階段達到最大生物量，然后在后期下降（圖4）。
• 隨機過程支配細菌和真菌群落的變化，而確定性過程支配著植物群落的形成，相反，在線蟲中確定性和隨機過程大致相等（圖4c）。在最后兩個階段，決定論對細菌和真菌的重要性增加了，與細菌相比，真菌群落組成有更強烈的隨機性驅動力（圖4c）。

 

圖4 海螺溝冰川不同演替階段不同生物群的豐富度反應（a）、生物量反應（b）和變化效應的相對重要性（c）分析。

研究結論：

1. 共生網(wǎng)絡表明，細菌和真菌的群落復雜性通常在中間時間階段達到高峰。細菌重疊的節(jié)點主要屬于Proteobacteria（變形菌門）和Acidobacteria（酸桿菌門），真菌重疊的節(jié)點主要屬于Ascomycota（子囊菌門）和Basidiomycota（擔子菌門）。

2. 變分分析和結構方程模型表明，土壤性質是塑造微生物群落結構的主要動態(tài)因素，特別是在早期階段。生物因素，包括植物豐富度和線蟲取食，在最后兩個階段隨著針葉林的建立而越來越重要，最終控制真菌群落的周轉。

3. 細菌群落在裝配過程中表現(xiàn)出更緊湊的網(wǎng)絡拓撲結構，從而支持決定論，而真菌群落更松散的聚類則說明它們更多地是由隨機過程決定的。

4. 這些證據(jù)都顯示隨著冰川不同年代的土壤細菌和真菌群落具有不同的演替軌跡和驅動力。

5. 這是第一次嘗試了解冰川中土壤-植物--微生物-線蟲的關系，它可為未來了解溫暖無冰世界的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展提供更全面的觀點。