喜訊！天昊微生物測序項目文章登陸Cell子刊《Current Biology》

發(fā)稿時間：2019-12-12來源：天昊生物

南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院近期在《Current Biology》上發(fā)表了蚯蚓協(xié)調(diào)土壤生物群改善多種生態(tài)系統(tǒng)功能的研究文章。在這項研究中天昊生物有幸承擔微生物擴增子測序工作。在恭喜客戶又發(fā)表高分文章的同時，我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目：Earthworms Coordinate Soil Biota to Improve Multiple Ecosystem Functions

中文題目：蚯蚓協(xié)調(diào)土壤生物群改善多種生態(tài)系統(tǒng)功能

期刊名：Current Biology

影響因子： 9.193

研究概要：

自查爾斯達爾文時代以來，蚯蚓一直被認為是土壤工程師，但最近的幾項綜合研究表明，蚯蚓的活動與溫室氣體排放量增加、土壤生物多樣性減少以及植物對害蟲的防御能力低下有關(guān)。我們的研究為蚯蚓在生態(tài)多功能框架內(nèi)對生態(tài)系統(tǒng)功能的多重直接和間接影響（綜合衡量生態(tài)系統(tǒng)同時提供多種生態(tài)系統(tǒng)功能的能力）提供了新的實地證據(jù)。一項描述21種生態(tài)系統(tǒng)功能的13年田間試驗數(shù)據(jù)顯示，蚯蚓的存在通常通過間接而非直接的影響來增強多功能性。具體來說，蚯蚓通過將功能組成轉(zhuǎn)移到有利于細菌能量通道的土壤群落，并加強土壤微生物和微型動物群落的生物組合，增強了多功能性。然而，蚯蚓介導的土壤物理結(jié)構(gòu)、pH值和分類多樣性的變化與土壤的多功能性無關(guān)。我們認為蚯蚓及其相關(guān)土壤生物群的協(xié)同作用是維持稻麥復(fù)合種植系統(tǒng)高水平多功能性的重要原因。管理作物殘渣輸入和減少土壤理化干擾應(yīng)將促進有益的蚯蚓效應(yīng)，并支持對可持續(xù)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

研究背景：

農(nóng)業(yè)土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如糧食生產(chǎn)和養(yǎng)分循環(huán)過程，在世界人口不斷增長和全球變化的情況下，越來越重要，這些服務(wù)不僅受到氣候變化或土地利用轉(zhuǎn)換等非生物因素的驅(qū)動，而且還受到大型生物的極大影響，土壤動物。蚯蚓是著名的“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，被認為是維持土壤健康和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中植物生產(chǎn)所必需的。一般認為它們對生態(tài)系統(tǒng)功能有積極或中性影響，如土壤物理結(jié)構(gòu)和土壤有機碳儲量。然而，最近的meta分析揭示了蚯蚓對一些生態(tài)系統(tǒng)功能的負面影響，包括增加溫室氣體排放（如CO ₂和N₂O），減少土壤生物多樣性，降低植物對韌皮部害蟲的抗性。這表明蚯蚓效應(yīng)不能從單獨研究生態(tài)系統(tǒng)過程中推斷出來，因為每個過程都可能受到蚯蚓活動的積極影響、消極影響或不受影響。多功能框架可以解決這些矛盾報告，因為它可以提供多個生態(tài)系統(tǒng)過程（如植物生產(chǎn)力、分解過程和養(yǎng)分循環(huán)）上蚯蚓活動的多維、集成和同時評估。生態(tài)系統(tǒng)水平的多功能性可以用平均法（平均每個功能的標準值）和閾值法（計算通過閾值的功能數(shù)量）來量化，由于每種方法的優(yōu)點和缺點，這兩種方法一起使用。由于蚯蚓被認為是一種活躍的土壤生態(tài)系統(tǒng)工程師，因此蚯蚓的活動已經(jīng)與多種過程聯(lián)系在一起，因此蚯蚓有很大的潛力成為農(nóng)業(yè)多功能的生物學指標。

蚯蚓可能通過多種途徑影響生態(tài)系統(tǒng)的多功能性。首先，蚯蚓能夠通過食用植物根部，通過排泄物釋放礦物質(zhì)營養(yǎng)素和植物激素來支持作物生長，從而直接影響生態(tài)系統(tǒng)功能（圖1A）。第二，蚯蚓的“生物擾動”活動可以通過澆鑄和挖洞活動（圖1B）改變土壤的非生物特性（如土壤水分、pH值和團聚體），從而改變土壤微生物群，從而間接影響多功能性（如養(yǎng)分循環(huán)和植物生產(chǎn)），例如微生物和微型動物（圖1C）。第三，蚯蚓的“消化”活動可以通過蚯蚓砂囊誘導的破碎和腸道相關(guān)的過濾過程改變土壤微生物群，從而間接影響多功能性（圖1D）。所有這些影響都可以同時發(fā)生，但在修改單一因素（如土壤pH值、土壤團聚體或生物群落）的研究中，這些影響始終是單獨檢查的。然而，要評估蚯蚓介導的變化在多功能環(huán)境中對土壤非生物和生物特性的重要性，必須理清它們的直接和間接影響的相對強度。

圖1 蚯蚓對生態(tài)系統(tǒng)多功能性貢獻途徑的概念框架，（A）表明蚯蚓的直接影響和（B）-（D）是蚯蚓通過挖洞和澆鑄活動介導的土壤非生物特性或通過研磨和過濾過程介導的生物群落的間接影響，所有這些效應(yīng)在蚯蚓活動期間同時發(fā)生。

由于對土壤生物群落的定義過于簡單，因此難以量化生物途徑的變化。迄今為止，多功能相關(guān)研究幾乎總是將生態(tài)系統(tǒng)功能與物種或分類多樣性聯(lián)系在一起，并提供了顯著的證據(jù)，證明隨機生物多樣性喪失導致操縱實驗中多功能生態(tài)系統(tǒng)功能的下降。然而，與實驗操縱的生物多樣性喪失相比，分類多樣性并不是生物系統(tǒng)影響生態(tài)系統(tǒng)功能和一般對干擾的非隨機響應(yīng)的唯一方面。事實上，與分類學多樣性的作用相比，土壤群落向某些功能團（即功能組成）的轉(zhuǎn)移對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響更大，例如以前的研究表明，蚯蚓減少了微生物物種的多樣性，但增加了細菌/真菌的比例，這可以將類似數(shù)量的營養(yǎng)和能量從植物轉(zhuǎn)移到土壤食物網(wǎng)作為原始土壤微生物群落。利用的綜合了多樣性、群落組成和生態(tài)系統(tǒng)功能的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析可以評估復(fù)雜多樣群落的分類群之間的關(guān)聯(lián)性。這意味著，生物組合在多個營養(yǎng)群之間的變化可能是生態(tài)系統(tǒng)多功能性的一個被忽視但可供選擇的預(yù)測因子。

為了闡明蚯蚓對多功能性的直接和間接影響的相對強度，我們分析了土壤理化性質(zhì)（團聚體穩(wěn)定性和pH值）、土壤群落屬性（分類多樣性、功能組成和生物組合）和21種生態(tài)系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)。在稻麥輪作系統(tǒng)下進行了13年的田間試驗，連續(xù)兩年獲得數(shù)據(jù)，在試驗中采用了兩種秸稈施用方法（秸稈覆蓋在土壤表面或與土壤表層結(jié)合），并控制了主要內(nèi)生蚯蚓Metaphire guillelmi的豐度（即對地塊進行接種蚯蚓或移除蚯蚓）。列舉了土壤微生物和微型動物，計算了它們的群落特征。將21種生態(tài)系統(tǒng)功能分為4類，反映了地上和地下生態(tài)過程：（1）植物生產(chǎn)力，（2）植物養(yǎng)分，（3）養(yǎng)分和碳循環(huán)過程，（4）養(yǎng)分和碳循環(huán)驅(qū)動因素。我們測試了蚯蚓的存在是否會通過直接作用（如對植物根系的啃食）或通過中和土壤pH值、促進土壤團聚體和調(diào)節(jié)群落屬性間接增強多功能性。我們還測試了蚯蚓對多功能性的間接影響是否與群落屬性有關(guān)，如分類多樣性、生物組合，或與涉及細菌和真菌能量通道的土壤群落功能組成的變化有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)蚯蚓的存在通過將土壤群落的功能組成轉(zhuǎn)移到細菌主導的群落，從而加強了土壤-食物網(wǎng)中的生物聯(lián)系，從而增強了多功能性。有趣的是，蚯蚓介導的土壤物理結(jié)構(gòu)、pH值和分類多樣性的變化并沒有改變多功能性。蚯蚓協(xié)調(diào)生物群落達到高水平的多功能性，揭示了蚯蚓種群對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵作用。

主要研究方法：

實驗設(shè)計：

本研究在南京農(nóng)業(yè)大學試驗田站進行。本試驗于2001年建立，夏播水稻，冬播小麥。四個處理被隨機分配到12個地塊中的三個區(qū)塊（每個處理三個重復(fù)）。四個處理是：（i）秸稈覆蓋在無蚯蚓的土壤表面（mulched）；（ii）秸稈覆蓋在有蚯蚓的土壤表面（mulched + earthworm）；（iii）秸稈還田到無蚯蚓的土壤中（incorporated）；（iv）秸稈還田到有蚯蚓的土壤中（incorporated + earthworm）。2014年和2015年，我們收集了小麥（5月）和水稻（10月）成熟期的土壤樣本。在每個樣地中，從0-20cm土層中隨機采集8個土芯（直徑2.5cm），并混合在一起，每個樣地形成一個復(fù)合樣本，共12個樣地×（兩個作物期）×（兩年）=48個樣地，在2小時內(nèi)采集土芯，然后存放在4度。所有需要新鮮材料的分析均在取樣后兩周內(nèi)完成，所有其他分析均在取樣后兩個月內(nèi)完成。

微生物檢測

我們分別使用定量PCR（qPCR）測量微生物豐度（即細菌和真菌）和磷脂脂肪酸分析（PLFA）來測量微生物豐度（細菌、真菌、放線菌和叢枝菌根真菌）。采用Illumina MiSeq測序測定微生物群落中主要物種（即細菌、真菌、古細菌和原生生物）的相對豐度。使用Greengenes數(shù)據(jù)庫（http://Greengenes.lbl.gov/）對細菌和古細菌進行分類，使用PR ²數(shù)據(jù)庫對真菌和原生生物進行分類（http://ssu rrna.org）。

研究結(jié)果：

蚯蚓的存在改變了生態(tài)系統(tǒng)的功能

蚯蚓的存在增加了所有四個多功能性指數(shù)和超過一半的單一生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)（21個生態(tài)系統(tǒng)功能中的52%；圖2）。秸稈還田處理的多功能性指數(shù)顯著高于秸稈覆蓋處理，稻麥栽培期間差異不顯著。在21種生態(tài)系統(tǒng)功能中，43%的生態(tài)系統(tǒng)功能不受蚯蚓的影響，包括作物產(chǎn)量、地上部生物量、根系生物量、地上部碳、根系碳、土壤有機碳、微生物活性、微生物生物量氮和微生物生物量磷（圖2）。由于蚯蚓的存在，秸稈覆蓋處理中只有N₂O排放減少（圖2）。

圖2 蚯蚓的存在影響單一生態(tài)系統(tǒng)功能和多功能指數(shù)。所有變量在蚯蚓存在（straw mulched + earthworm秸稈覆蓋+蚯蚓和straw incorporated + earthworm秸稈還田+蚯蚓）和蚯蚓不存在（straw mulched秸稈覆蓋和straw incorporated秸稈還田）時（n=8；2年×2個作物階段×2個秸稈應(yīng)用）的變化。

蚯蚓的存在對土壤群落特征和非生物特性的影響

蚯蚓改變了土壤群落組成，降低了土壤群落的均勻度（圖3A和3B）。蚯蚓的存在略微減少了細菌、真菌、古細菌和線蟲的分類群數(shù)量，并略微增加了原生生物分類群的數(shù)量。蚯蚓通過增加細菌/真菌比值和食細菌線蟲/食真菌線蟲比值，以及碳循環(huán)與氮循環(huán)中活性細菌比值改變了優(yōu)先能量通過土壤食物網(wǎng)的途徑，這些增量在秸稈還田處理中高于秸稈覆蓋處理（p<0.05；LSD檢驗；圖3C）。同時，蚯蚓加強了營養(yǎng)群之間的生物聯(lián)系，如相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析所示（圖4）。此外，蚯蚓通過提高土壤團聚體穩(wěn)定性改善了土壤物理結(jié)構(gòu)（p=0.003；LSD檢驗），同時它們對土壤pH值沒有影響（圖3D）。

圖3 蚯蚓的存在對土壤生物群落和非生物特性的影響。（A）土壤生物（細菌、真菌、線蟲和原生生物）的豐度；（B）土壤生物群的主坐標分析（PcoA），均勻度指數(shù)以Pielou's index計算，數(shù)值越低，不均勻性越高；（C）土壤生物群功能組成。碳氮轉(zhuǎn)化過程細菌比例是指在碳循環(huán)中活性細菌與氮循環(huán)中活性細菌的比例；（D）土壤非生物特性（團聚體能力和pH值）。

圖4 蚯蚓存在與生物聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)可視化研究。線條寬度表示顯著相關(guān)性的數(shù)量，而線條顏色和透明度表示相關(guān)性強度，如圖例所示。左側(cè)顯示了無蚯蚓時秸稈覆蓋（A）和秸稈還田（C）的生物組合，右圖顯示了有蚯蚓時秸稈覆蓋（B）和秸稈還田（D）的生物組合。B.Nematode表示食細菌線蟲；F.Nematode表示食真菌線蟲；H.Nematode表示 食草線蟲；O.Nematode 表示雜食性線蟲；P.Nematode 表示捕食性線蟲。

蚯蚓對生態(tài)系統(tǒng)多功能性的直接和間接影響

分段結(jié)構(gòu)方程模型顯示，由功能組成（標準化系數(shù)=0.11-0.22）和生物組合（標準化系數(shù)=0.08-0.10）介導的間接效應(yīng)促成了多功能性（圖5）。這種影響遠遠大于蚯蚓的直接影響以及分類多樣性和非生物因素的間接影響（圖5）。生物組合強度隨著功能組成的變化而增加（圖5）。蚯蚓增加了團聚體穩(wěn)定性，但這些物理性質(zhì)與多功能性無關(guān)（圖5）。

圖5 描述蚯蚓對生態(tài)系統(tǒng)多功能性直接和間接影響的分段結(jié)構(gòu)方程模型。在該模型中，蚯蚓對多功能性的直接影響是由一個從蚯蚓指向多功能性的單箭頭表示的，而蚯蚓對多功能性的間接影響是由土壤群落屬性（分類多樣性，功能組成，以及生物組合）和土壤非生物特性（團聚體和pH值）介導的，我們將蚯蚓量化為：無蚯蚓處理（秸稈覆蓋和秸稈還田）為0，有蚯蚓處理（秸稈覆蓋+蚯蚓和秸稈還田+蚯蚓）為1。箭頭的寬度與路徑系數(shù)（標準化系數(shù)）的強度成正比，連續(xù)的綠色箭頭和連續(xù)的紅色箭頭分別表示正相關(guān)和負相關(guān)系，而黑色虛線箭頭表示無顯著關(guān)系。來自模型（右圖）的標準化總效應(yīng)（直接效應(yīng)和間接效應(yīng)）表明了關(guān)系的效應(yīng)大小。

線性混合效應(yīng)模型證實蚯蚓對多功能性的間接影響顯著地由功能組成和生物組合介導，而分類多樣性、團聚體穩(wěn)定性和pH值對多功能性沒有影響（表1）。功能組成參數(shù)中的幾個預(yù)測因子，即細菌/真菌比值、食細菌/食真菌線蟲比值以及碳循環(huán)與氮循環(huán)細菌比值，對多功能性有顯著貢獻（表1）。

表1 線性混合效應(yīng)模型（LMM）結(jié)果顯示蚯蚓對生態(tài)系統(tǒng)多功能性的間接影響，由土壤群落屬性（分類多樣性、功能組成和生物組合）和土壤非生物特性（團聚體穩(wěn)定性和pH值）介導。

功能組成和生物組合與多功能指數(shù)和許多生態(tài)功能，特別是與養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的驅(qū)動因素和過程，均呈正相關(guān)（圖6）。

圖6 生態(tài)系統(tǒng)功能和蚯蚓介導的預(yù)測因子之間的成對相關(guān)系數(shù)，包括土壤群落屬性（分類多樣性、功能組成和生物組合）和土壤非生物特性（團聚體穩(wěn)定性和pH值）。標簽顏色反映了它們的分類：黃色：植物生產(chǎn)力；藍色：植物營養(yǎng)；綠色：營養(yǎng)和碳循環(huán)過程；紅色：營養(yǎng)和碳循環(huán)驅(qū)動因素；黑色：多功能指數(shù)。