Microbiome ：空間尺度上隨機(jī)性與決定性對(duì)華北平原麥田土壤細(xì)菌群落中的影響

發(fā)稿時(shí)間：2018-09-29來(lái)源：天昊生物

英文題目：Spatial scale affects the relative role of stochasticity versus determinism in soil bacterial communities in wheat fields across the North China Plain

中文題目：空間尺度上隨機(jī)性與決定性對(duì)華北平原麥田土壤細(xì)菌群落中的影響

期刊名： Microbiome     發(fā)表時(shí)間： 2018 02 05      IF：9.133

單位:  中科院南京土壤研究所 

技術(shù)： 細(xì)菌16S擴(kuò)增子測(cè)序（V4）

測(cè)序平臺(tái)： Illumina MiSeq

研究背景：隨機(jī)性與決定性在土壤細(xì)菌群落中的相對(duì)重要性尚不清楚，改變細(xì)菌群落之間平衡的可能影響也是不明確的。在這里，我們研究了空間尺度上隨機(jī)性和決定性在僅由小麥組成的農(nóng)業(yè)單一栽培中的相對(duì)作用的影響，期望能最大限度地減少了植物物種覆蓋和栽培/干擾機(jī)制差異的影響，進(jìn)一步對(duì)華北平原（NCP）的土壤和氣候進(jìn)行研究。

研究方法：我們對(duì)華北平原北緯30-40度, 東經(jīng)109-122度范圍內(nèi)的27個(gè)地點(diǎn)（圖S8左），每個(gè)地點(diǎn)在100平方公里內(nèi)對(duì)相距約3.3公里的9個(gè)地塊進(jìn)行了采樣（圖S8右），采樣深度0-15cm，每個(gè)地塊收集了12個(gè)樣品，隨后混合，總共收集了243個(gè)土壤樣本。所有樣本分成2份，其中一份用于測(cè)定物理和化學(xué)性質(zhì)，另一份用于DNA提取并測(cè)序。測(cè)序使用MiSeq平臺(tái)對(duì)16S rRNA細(xì)菌基因V4區(qū)進(jìn)行了測(cè)序。作者假設(shè)，空間尺度上決定性將在最廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮相對(duì)更強(qiáng)的作用。 為了檢驗(yàn)假設(shè)的更普遍適用性，作者同時(shí)對(duì)青藏高原上的自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

圖S8華北平原采樣圖和樣方集的位置。

研究結(jié)果：

1. 從華北平原的小麥-玉米輪作系統(tǒng)中獲得了15,184,073個(gè)質(zhì)量序列，并鑒定了75,179個(gè)OTU，主要是細(xì)菌和一些古細(xì)菌。放線菌、α-變形菌、酸桿菌、γ-變形菌、β-變形菌和綠彎菌門(mén)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，占總序列的75％以上。δ變形菌綱、芽單胞菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、擬桿菌和固氮菌等在土樣中普遍存在（圖S1）。

圖S1所有土壤（華北平原）的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)/類和古菌門(mén)的相對(duì)豐度。 土壤按采樣點(diǎn)分組

2. 在空間尺度上，隨機(jī)過(guò)程在華北平原上相對(duì)更為重要，而確定性過(guò)程在青藏高原上更為重要。以下為華北平原不同空間距離下隨機(jī)性與確定性的貢獻(xiàn)比例（表1、圖1）。

（表1 不同空間尺度中βNTI值的變化以及華北平原每個(gè)空間尺度中確定性和隨機(jī)過(guò)程的相對(duì)貢獻(xiàn)率（％）

βNTI值為βNTI> 2或βNTI< - 2，則確定性過(guò)程對(duì)于在所有站點(diǎn)中形成社區(qū)組成非常重要，而如果βNTI值在-2和2之間，則隨機(jī)過(guò)程將發(fā)揮重要作用。）

圖1 華北平原空間尺度分組的βNTI值散布圖

3. 土壤pH值是影響華北平原土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素。通過(guò)基于BC距離的非度量多維比例圖展示樣品之間的聚類程度，顏色用土壤PH梯度表示（圖2）。利用代表α-diversity的PD值與PH進(jìn)行相關(guān)性分析作圖（圖3）。其他土壤因素，如鎂（Mg），鈣（Ca），總磷（TP），總鉀（TK），錳（Mn），砷（As），鉀（K），鎘（Cd），鋅（Zn），有效磷（AP）和鐵（Fe）也顯示出與土壤細(xì)菌群落的顯著關(guān)系。代表α-多樣性的細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育多樣性（PD），OTU，Chao1，Shannon和Simpson E指數(shù)隨著土壤pH和TP的增加而顯著增加，土壤pH值對(duì)細(xì)菌多樣性的影響最大，其次是Mg，Ca，TP，Cd和EC（導(dǎo)電性），其他因素如有機(jī)碳（OC），總氮（TN），溶解有機(jī)碳（DOC）和錳與細(xì)菌多樣性呈負(fù)相關(guān)。

圖2 華北平原（NCP）小麥土壤中的細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)

圖3 華北平原土壤pH與細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育多樣性的關(guān)系

4. 未降水土壤微生物數(shù)據(jù)變異的23.9％可以用環(huán)境因素，線性趨勢(shì)和空間尺度來(lái)解釋。其中，空間尺度加上線性趨勢(shì)對(duì)土壤微生物數(shù)據(jù)的變化貢獻(xiàn)了4.1％，環(huán)境土壤因子占19.7％，6.6％可歸因于環(huán)境變量與空間參數(shù)之間的相互作用（圖4）。然而，所有細(xì)菌數(shù)據(jù)的大部分變異（76.1％）無(wú)法通過(guò)模型參數(shù)或它們之間的相互作用來(lái)解釋。

圖4基于分析和PCNM空間尺度分析的環(huán)境和空間參數(shù)的影響

研究結(jié)論 :

1. 我們的結(jié)果表明，隨機(jī)性與確定性的相對(duì)重要性確實(shí)隨著空間尺度的變化而變化。 在華北平原，隨機(jī)性在150至900公里（成對(duì)地點(diǎn)之間的分離）中占主導(dǎo)作用，決定性在超過(guò)900公里（大范圍）中占主導(dǎo)地位。 在青藏高原上，決定性在130至1200公里處占主導(dǎo)作用，隨機(jī)性在不到130公里內(nèi)占主導(dǎo)地位。

2. 在可識(shí)別的確定性因子中，土壤pH值對(duì)華北平原土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響最大。

3. 未降水土壤微生物數(shù)據(jù)變異的23.9％可以通過(guò)環(huán)境因子解釋，其中環(huán)境因素占19.7％，空間參數(shù)4.1％。