根系群落属性在预测土壤真菌和细菌群落机制中的作用

来源：拇指科研

导读

假定根在构建土壤微生物群落中起主要作用，但是大多数在群落一级探索微生物与植物之间关系的研究仅使用地上植物分布作为替代。但是，由于植物冠层和根系的不同分布，地下和地面植物成分之间可能会发生解耦。因此，土壤微生物与植物之间的联系尚不完全清楚。

本文评估了地中海干旱灌丛中植物根系群落对土壤细菌和真菌多样性（物种丰富度，组成和β多样性）的影响。

研究发现根的组成和生物量（而不是丰富度）预测了微生物丰富度和组成的独特变化。此外，细菌β-多样性与根β-多样性有关，而真菌β-多样性与地上植物β-多样性有关，表明植物对两个微生物群的影响不同。

研究强调了地下和地下植物分布，土壤特性和其他空间结构因素在解释土壤微生物多样性异质性中的作用。这些结果还表明，将两个植物群落区室的数据合并在一起，将进一步了解土壤微生物与植物群落之间的关系。

实验设计

研究区域，植被和土壤采样:这项研究是在伊比利亚半岛中部附近的一个物种丰富的半干旱地中海灌丛中进行的。

在每个采样点附近，使用直径5cm *深度10cm的环刀收集两个连续的土壤样品。根据该植物群落土壤中根系生物量的分布来选择采样深度，该深度在前10 cm处比0-30 cm层中要高得多，因此可以进行采样该地块中很大一部分地下植物群落。一种样品用于评估土壤微生物群落和土壤理化变量（土壤微生物样品），第二种用于研究地下植物群落（根样品）。

土壤微生物群落：通过DNA元条形码对每个土壤微生物样品中的真菌和细菌OTU含量进行鉴定和估计。使用DNeasy PowerSoil分离试剂盒从0.25 g干燥土壤中分离了84个土壤微生物样品中的DNA。进行细菌16S rRNA基因和真菌ITS2测序。使用VSEARCH工具进行了生物信息学分析。

地上和地下植物群落：使用DNEasyPlant Minikit从每个根样品的0.1 g均质根组织中提取DNA。在Illumina MiSeq PE300运行中对rbcL叶绿体基因的一个片段（550bp）进行了测序。地上植物的丰度（即植物覆盖率）被估算为每个植物的树冠投影与每个采样点周围的半径为20 cm的圆之间的所有交叉区域的总和。选择该半径作为最大化地面和地下样本之间相似度的半径。

土壤理化分析：分析了四种养分储量：土壤有机碳（SOC），总氮（N），有效磷（P）和钾（K）；与土壤微生物活性有关的两个动态变量，例如酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶的酶活性；以及一些变量，例如pH，电导率，沙子，淤泥和粘土含量。

结果

1 微生物和植物群落的分类学描述

我们在所有样本中发现了1339个细菌OTU和835个真菌OTU。每个样品的细菌和真菌富集范围分别为181至246个OTU和31至133个OTU。细菌群落以放线菌为主，变形杆菌是第二丰富的细菌门（分别为60％和23％，图S6）。占优势的细菌类别为嗜热嗜热菌，丙酸杆菌，红杆菌和放线菌，分别占序列的5.29％，2.88％，1.45％和1.13％。子囊菌是占主导地位的真菌门，其次是担子菌门菌（分别占真菌ITS2序列的76％和22％）。样品中真菌种类最丰富的是Pezizomycetes，Eurotiomycetes，Agaricomycecetes和Dothideomycetes，分别占序列总数19.2％，16.9％，14.8％和8.6％。

就植物群落而言，在所有土壤样品中发现了总共30种植物分类群，其中26种在物种水平上鉴定，4种在属水平上（根据DNA元条形码），而在地面上发现了38种植物。对应于半径为20厘米的圆圈的区域。圆圈中的地上植物覆盖物范围为每圈0.35至17.5％（4.5±3.3％），而根样品中的根生物量范围为0.75至6.80 g（7±2 g）。地下较常见的类群是Thymus sp.（在根样品中占86％）Quercus sp.（81％），Stipa sp.（71％）和Linum suffruticosum（51％）。在地上部分，圈子中最常见的物种是Stipa sp.（93％），Thymus sp.（82％），Helianthemum cinereum(Cav.)Pers（78％）和Linum suffruticosum L.（71％）。

2 细菌和真菌丰富度

该模型分别解释了细菌和真菌丰富度总变化的16.1％和13.9％（图1）。地下（即根）植物群落组成解释了4.9％的细菌丰富度变化（图1），但是地下群落组成和根生物量一起仅解释了1.4％的真菌丰富度变化（图1）。真菌丰富度与根生物量呈正相关（图2）。土壤肥力（表S2）影响了两个微生物群的丰富度，但其影响的方向对细菌是积极的，而对真菌的丰富性却是消极的（表1）。 dbMEM 29（精细的空间尺度）所代表的空间结构对真菌的富集具有显着影响，而dbMEM 9（广泛的空间尺度）对细菌的富集具有显着的影响（表1）。

3 细菌和真菌群落组成

方差划分分析表明，预测变量分别解释了细菌和真菌成分总变异的7.8％和18.8％（图1）。由预先选择的地下植物群落属性（根生物量和根组成.1；表2）解释的细菌和真菌组成变化的独特分数分别为0.5％和0.3％（图1）。在考虑了地上成分，土壤变量和空间协变量的影响后（表2），部分RDA表明细菌的组成受根组成的影响很大1。（表2）。部分RDAs表明，真菌而非细菌的成分与地上植物的成分和土壤特性（土壤有机碳和土壤质地：第一和第二PCA轴，表S2）的变化有关。我们还发现，空间趋势（X-Y坐标）以及其他与精细和宽尺度相关的空间变量（例如dbMEM 2和29）与细菌和真菌成分的差异显着相关（表2）。

图1 维恩图显示了细菌和真菌群落的微生物丰富度（OTU数量），物种组成和β多样性（基于布雷-库尔蒂斯距离）的方差划分结果，由四组预测因子解释：地下植物群落属性（根），地上植物群落属性（Above-），土壤属性（Soil）和空间协变量（Space）。

图2 回归线显示细菌（灰褐色）和真菌（蓝色）丰富度（OTU数量）对地下和地下植物群落属性的响应。实线和虚线分别表示显着效果和无显着效果。

3 细菌和真菌β多样性

方差划分表明，地下和地下植物群落的β多样性，土壤特性和空间协变量分别解释了细菌和真菌β多样性总变异的13.6％和23.8％。具体而言，基于根分布的β多样性分别解释了细菌和真菌β多样性变化的2.1％和0.5％（图1）。部分Mantel试验还表明，地下植物的β多样性与细菌的β多样性显着相关（Spearman rho = 0.13，p = 0.024，图3，表S8），但与真菌的β多样性无关（Spearman rho = 0.09， p = 0.114，图3）。换句话说，根的组成越不同，样品之间的细菌组成就越不同。相反，部分Mantel试验表明，两个位点之间的真菌群落越相似（即其真菌β多样性越低），地上植物β多样性就越相似（Spearman rho = 0.12，p = 0.009，图3）我们还发现，细菌β多样性与样品之间土壤特性的差异显着相关（Spearman rho = 0.18，p = 0.004）。在控制土壤性质和两种植物成分的β多样性之后，样品之间的空间距离与微生物β多样性显着相关（细菌：Spearman rho = 0. 22，p <0.001；真菌：rho = 0.37，p <0.001）。

图3 样本中土壤细菌和真菌群落的β多样性与地下和地上植物群落的β多样性之间的关系（基于Bray-Curtis距离）。

图4 概念图总结了研究的主要结果。细菌和真菌群落物种丰富度，组成和β-多样性对根生物量，组成和β-多样性的响应。（a）根生物量对真菌丰富度产生积极影响。（b）根组成影响细菌组成和丰富度。（c）细菌β多样性与根β多样性显着相关。在消除地上植物成分，土壤理化特性和其他空间结构变量的影响后，测试了这些关系的重要性。

结论

本研究强调了植物根系在解释半干旱地中海灌丛土壤微生物多样性变化中的关键和独立作用。我们首次表明，微生物丰富度，组成和β多样性的独特变化部分只能由根组合的类型（根组成）和数量（根生物量）来解释，而不能由根组合的种类（根丰富度）来解释。此外，我们的结果为地上植物群落对土壤真菌和细菌群落结构的影响提供了新的见解。特别地，地上植物组成而不是根组成影响真菌组成和丰富度。我们的发现也使我们进一步了解土壤的理化特性如何通过肥力，碳和质地的变化来预测土壤微生物群落组成和丰富度的变化。我们的研究强调了地下和地下植物分布在解释土壤微生物多样性的异质性中的作用，并建议将两个植物区室的数据结合起来将进一步加深我们对土壤微生物与植物群落之间关系的理解。这在缺水的生态系统中尤为关键，在这种生态系统中，植物群落属性的地上和地下分布之间经常发生脱钩。