天昊客户新文：海螺沟冰川不同年代土壤细菌和真菌群落的演替轨迹和驱动力

发稿时间：2018-01-16来源：天昊生物

 

中国科学院成都山地灾害与环境研究所近期在《Soil Biology and Biochemistry》上发表了不同冰川年代的土壤细菌和真菌群落具有不同组合方式和驱动力的文章。在这项研究中天昊生物有幸承担了样品的扩增子测序和生物信息学分析工作。在恭喜客户又发表文章同时，我们想跟大家分享一下文章的研究思路。

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

中文题目：不同冰川年代的土壤细菌和真菌群落具有不同组合方式和驱动力

期刊名：Soil Biology and Biochemistry     发表时间： 2018年1月    影响因子：4.857

研究目的: 

尽管微生物在冰川地区成土过程和生态系统发展中无处不在，并且起着关键的生态功能，但是细菌和真菌有着截然不同的演替轨迹，并且关于群落的驱动力仍不清楚。在这项研究中，分析了海螺沟冰川变化的七个不同阶段相关细菌和真菌群落，量化其分类组成和演替动态，并从中解读植物建立、土壤发育和线虫对微生物演替轨迹的影响。

研究对象：

观察到的海螺沟冰川衰退始于1823年，自20世纪初以来已明显加速。这项研究是在7个经历长期初级演替的地点进行的，它们分别处于末次冰消期后的不同时间（从裸土到开荒植被群落，最终达到顶极植被群落）。每个阶段的大致年龄根据树的年轮和¹³⁷ Cs评估的土壤侵蚀速率进行校正，最终分为7个时间阶段（1阶段：冰川衰退后3年，到7阶段：冰川衰退后120年）。

在每个时间阶段，使用3个5×5m的实验地块（在1和2阶段，因为区域较小所以使用2×2m地块）。植物群落的分类确定到种水平，以评估植物的丰富性（包括乔木，灌木和草本层），所有取样的植物材料按种类进行分类，然后烘干和称重。用一个直径为5厘米的土壤取样器从每块地中心和5个角落采集土壤样本，五份土壤混成一份样本，通过2mm筛除去根，约200克的土壤分为三个部分：（1）土壤理化性质分析；（2）土壤线虫群落分析；（3）土壤微生物生物量测定和DNA提取。

测序技术：细菌16S rRNA扩增子测序（V4-V5）和真菌ITS1扩增子测序

研究结果：

微生物群落组成、结构和系统发育多样性

• 优势细菌主要是：变形菌门（44.19%）、酸杆菌门（21.25%）、拟杆菌门（9.11%）、浮霉菌门（4.1%）、放线菌门（3.57%）、绿弯菌门（3.10%）、芽单胞菌门（2.34%）和疣微菌门（2.03%）（图1a）。
• 优势真菌主要是：子囊菌门(48.14%)、担子菌门(36.84%)、接合菌门(4.13%)（图1b）。
• NMDS分析能把细菌整体分为三个群：第1阶段为cluster1，第2-5阶段为cluster2，第6-7阶段为cluster3，三个cluster之间没有重叠（图1c）。
• NMDS分析能把真菌体分为2个群：早期（阶段1-5）和后期（阶段6 -7）（图1d）。与真菌相比，每个时间阶段的细菌聚集的更紧密（图1c和d）。

 

图1 海螺沟冰川不同演替阶段的细菌（A，C）和真菌（B，D）物种组成和NMDS分析。

共生网络分析

• 共生网络表明细菌和真菌群落的复杂性在中间时间阶段达到顶峰，其节点和边缘数量最高（图2）。
• 细菌重叠的节点主要属于Proteobacteria（变形菌门）和Acidobacteria（酸杆菌门），真菌重叠的节点主要属于Ascomycota（子囊菌门）和Basidiomycota（担子菌门）（图2）。
• 对于细菌，与Acidiferrobacter、Geobacter、Hyphomicrobium、Polaromonas、Thiobacillus、Arthobacter主要存在于阶段1和2；Gp1、Gp2、Granulicella、Bradyrhizobium、Burkholderia、Phenylobacterium、Opitutus主要存在于阶段6和7。对于真菌， Massarina、Alternaria、Boeremia、Mortierella、Mycoarthris、Neobulgaria、Otidea主要存在于早期阶段，Sebacina、Tomentella、Russula、Inocybe主要存在于晚期阶段。

 

 

图2 海螺沟冰川不同演替阶段的细菌（A）和真菌（B）共生网络分析。

土壤和生物因素与微生物群落的关系

• 通过冗余分析区分了3个细菌群落和2个真菌群落，在环境因子中，ph、总磷、土壤有机碳、凋落物C/N和植物丰富度与微生物群落密切相关（图3a和b）。
• 变分分析表明相对于生物因素，土壤性质在确定细菌和真菌群落结构方面更为重要，尤其是在早期阶段1–5, 在最后的两个阶段，随着森林的建立，生物因素以及生物和土壤互作越来越重要（图3c和d）。
• 结构方程模型表明，环境因素影响排名按以下顺序：1)细菌: 土壤全磷（0.66）、土壤pH值（0.64），土壤SOC（0.44）, 植物丰富度（0.36）和线虫放牧（0.25）;  2)真菌: SOC（0.62）, 食线虫（0.57）, pH值（0.52），植物丰富度（0.48）和总磷（0.10）（图3e、f）。

 

图3 海螺沟冰川不同演替阶段的细菌和真菌群落与环境因素的RDA（a,b）、VPA（c,d）和SEM（e,f）分析。AP速效磷；SOC土壤有机碳；TN总氮；TP总磷。实心箭头和虚线箭头分别表示正相关和负相关，箭头的粗细反映标准化系数大小。

 

不同生物群的反应和驱动力对比

• 四个生物群的丰富度和生物量表现出类似的反应（图4a、b）。植物和线虫的丰富度反应最高，细菌的丰富度反应最低（图4a），另一方面，真菌的生物量反应最大，其次是细菌、植物和线虫（图4b）。大多数生物群在第5阶段达到最大的丰富度，在第6阶段达到最大生物量，然后在后期下降（图4）。
• 随机过程支配细菌和真菌群落的变化，而确定性过程支配着植物群落的形成，相反，在线虫中确定性和随机过程大致相等（图4c）。在最后两个阶段，决定论对细菌和真菌的重要性增加了，与细菌相比，真菌群落组成有更强烈的随机性驱动力（图4c）。

 

图4 海螺沟冰川不同演替阶段不同生物群的丰富度反应（a）、生物量反应（b）和变化效应的相对重要性（c）分析。

研究结论：

1. 共生网络表明，细菌和真菌的群落复杂性通常在中间时间阶段达到高峰。细菌重叠的节点主要属于Proteobacteria（变形菌门）和Acidobacteria（酸杆菌门），真菌重叠的节点主要属于Ascomycota（子囊菌门）和Basidiomycota（担子菌门）。

2. 变分分析和结构方程模型表明，土壤性质是塑造微生物群落结构的主要动态因素，特别是在早期阶段。生物因素，包括植物丰富度和线虫取食，在最后两个阶段随着针叶林的建立而越来越重要，最终控制真菌群落的周转。

3. 细菌群落在装配过程中表现出更紧凑的网络拓扑结构，从而支持决定论，而真菌群落更松散的聚类则说明它们更多地是由随机过程决定的。

4. 这些证据都显示随着冰川不同年代的土壤细菌和真菌群落具有不同的演替轨迹和驱动力。

5. 这是第一次尝试了解冰川中土壤-植物--微生物-线虫的关系，它可为未来了解温暖无冰世界的生态系统发展提供更全面的观点。