森林土壤微生物多样性调控机制
发布日期：2019-03-18 浏览次数：2088
研究背景：
气候变暖越来越导致植物和动物多样性的显著变化，但目前还不清楚气温会如何影响微生物的多样性，特别陆地土壤中的微生物。本研究显示，依据代谢生态学理论，环境温度的变化比环境PH可以更好地用来预测土壤细菌、真菌和固氮微生物的分类学、系统发育多样性。然而，全球温度梯度变化对微生物多样性变化速率的影响远远低于已报道的植物和动物，这表明植物、动物和土壤微生物群落对气候变化的多样性响应有差异。据我们所知，本研究是首次证明不同微生物群落多样性随温度梯度而变化的速率显著低于其它主要分类系统（物种）。这对评估人类活动导致的气候变化、土地使用和其它因素的作用具有重要启示。
材料与方法：
材料：北美不同纬度的6个森林的共126种森林土壤，从科罗拉多的高山针叶林到巴拿马的常绿热带森林。具有广泛的温度梯度，年平均温度介于2.5~25.7℃。
方法：对每个土壤样品进行DNA提取和纯化，用Illumina MiSeq测序，针对1、16S rRNA的V4区；2、真菌内转录间隔区（ITS2）；3、固氮细菌的细菌固氮酶亚组H（nifH）。
测序策略和分析流程：
测序：Illumina MiSeq。每个样品设置三个生物学重复。
土壤化学性质：土壤水分、土壤pH、土壤C、N含量，土壤NH4＋、NO3－含量。
分析策略和流程：
1、设置过滤标准；
2、U-CHIME过滤嵌合体；
3、UCLUST聚类OUT
丰度和多样性估计：
Chao1value、Shannon-Weaver index、phylogeneticdiversity（1、yNAST、MUSCLE、Mothur、FastTree2、Picantepackage in R；2、NRI）
统计方法：皮尔逊相关性（微生物多样性和样品特性）、利用r2和AIC进行线性和非线性拟合、Manteltest（vegan package in R）
结果：
1、采样点的特点
采集了北美六个森林的土壤样品。土壤环境是高度异质性的，可忽略环境因素的影响。
2、测序目标和数据统计
结果表明，森林土壤中的细菌、古菌、真菌、固氮细菌的多样性很高。
3、随温度而变的纬度多样性模式
虽然在植物和动物中，随着纬度的增加，物种多样性趋于减少，但在微生物中，不清楚是否有这样的机制。为了确定纬度多样性模式，我们对物种多样性和纬度进行相关性分析。基于这三个基因区的物种丰度和shannon指数都和纬度密切相关。进一步统计分析显示，土壤微生物和环境温度之间也有较强的相关性（0.4-0.63）。年平均气温在形成森林微生物群落的组成和结构上都起到重要作用。
以前研究表明，pH对微生物多样性起到更重要的作用。用Partial Mantel test评估温度和pH对微生物多样性的影响，土壤变量为：温度、降水、pH、总碳含量、总氮含量。结果表明，在三个基因区中，温度与微生物多样性有更高的相关性。
4、生态代谢理论
用Boltzmann-Arrhenius plots评估关于温度的函数相关的多样性。Y轴表示最小二乘回归，阴影部分表示95%的置信区间。斜率为Ea值。
活化能估计。nifH（固氮细菌的细菌固氮酶亚组H）的较高的Ea值可能是由于与核糖体基因marker相比，功能基因的marker有较高的分类学地位。相同基因比较时，Ea值也随着taxonomic resolution（相似度）的上升而增加。Ea值和已经报道的浮游动物差不多，但是比浮游植物低。
亮点：
生态代谢理论从反映化学反应速率的阿伦尼乌斯公式出发，预测升温可加快物种代谢和分化，使得物种多样性与环境温度形成指数性上升关系。这一理论在动植物学研究中得到了证明，但对于微生物的适用性一直未能厘清。利用高通量测序技术对北美大范围的森林土壤样品进行了分析，发现森林土壤细菌、真菌、 固氮菌等种群也遵循生态代谢理论。温度是大空间尺度上最重要的调控因素，其效应要强于学界普遍认可的土壤pH值的影响。但是与植物相比，微生物受温度的调控稍弱。另外由于受土壤异质性的影响，在以往的实验中未能充分认识到土壤微生物多样性的调控机制。我们的研究结果有助于理解和预测气候变化的生态后果。如果温度驱使微生物多样性的增加，变暖的生态系统将会变得更加多样化且积极活跃。总之，基于MTE的动力学模型为预测当前和未来的气候变暖对生物多样性和生态系统过程的影响提供了有力的工具。
参考文献：
Jizhong Zhou, Ye Deng, Lina Shen, Chongqing Wen, et al.
Temperature mediates continental-scale diversity of microbes in forest soils.
NATURE COMMUNICATIONS. 2016, IF= 11.329
