细菌群落构建过程介导了沿土壤剖面有机碳代谢

来源：拇指科研

了解微生物群落构建的调控机制至关重要，基本的生态过程可以分为微生物群落构建的两个相互且非互斥的决定因素，即确定性过程和随机过程，在维持局域到全球尺度的物种组成中它们同时发挥着重要作用。确定性过程很大程度上取决于选择性，包括环境过滤和不同生物学联系（竞争、共生、捕食等）。而随机性主要体现在生态漂变、扩散和多元化进化，进而在群落构建中产生差异。目前，已经定量估计了自然生态系统中这些生态进程对细菌群落构建的相对影响，并得出了诸如β-零模型、中性理论、系统发育抽样理论等，然而，可以同时定量地将每个生态过程对群落构建的贡献分开的模型还未见报道。最近，史蒂根（Stegen）的零模型方法被提出，可以在集合群落尺度的Vellend框架内估算生态成分的相对影响，例如选择、扩散和漂变。在零模型中，群落构建分为五个主要类别，即变量选择、同质选择、同质分散、分散限制和非受控过程（“非受控”是指随机生物移动和随机出生/死亡事件混合造成的群落之间的组成差异）。因此，该新兴模型已广泛应用于理解各种生态系统中的微生物群落构建。

众所周知细菌群落构建主要受非生物的环境过滤和生物间联系影响，环境的变异是物种生态位分化的先决条件，能够确保其获得充足的资源在各种环境中生存。大量的研究报道了微生物群落构建的进程受土壤质量的调控，如土壤有机质、pH和全磷。共现网络是评价生物间联系的重要手段，对共现网络的深入研究越来越引起微生物生态学家的兴趣，因为高度复杂的细菌群落中的共生模式可作为生态位分化和重叠的指标，以推断潜在的生物相互作用并将生态过程与群落构建联系起来，具有环境过渡的土壤剖面为探究群落构建过程提供了独特的机会，因为这些剖面在可控制的空间尺度上经历理化特性和细菌群落组成的变化。由于营养元素和氧气的水平通常会在整个土壤剖面中变异，相应的变化会反映在细菌群落的多样性和共现网络中。因此，我们关于深度梯度是否会影响随机和确定性过程的相对重要性水平还知之甚少。深层土壤有机碳是陆地碳库的主要组分，超过一般的土壤有机碳（SOC）储量位于底土区。传统研究集中在微生物生物量和群落组成在深层功能中的重要作用，而最近提出的新理论则强调了微生物群落构建过程介导微生物碳代谢的新机制。然而，我们对细菌构建进程如何影响碳代谢的认识较少。

中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室孙波研究员、蒋瑀霁研究员等人与沈阳应用生态研究员梁超研究员，针对中亚热带典型的贫瘠旱地红壤，设置4种不同施肥试验处理，在5个土壤剖面深度（0-80 cm）研究细菌群落的构建机制及SOC代谢功能。

研究发现，随着土壤深度增加，细菌群落装配由确定性选择主导转变为随机性扩散主导。β-零偏差模型和迁移率证实了深层土壤中扩散影响相对较大的科学假设。酸杆菌门和绿弯菌门作为细菌群落中两个最优势种群，其构建过程与整体细菌群落构建过程相似。结构方程模型的结果表明，土壤因子（pH和总磷）和细菌互作网络（竞争和网络复杂性）与表层土壤（0-10 cm和10-20 cm）的细菌群落组成显著相关。偏Mantel检验和随机森林模型表明，细菌群落装配可能调控了土壤剖面SOC变化过程，提示随机扩散对群落装配的贡献随土壤坡面深度增加而增加，细菌的随机装配过程可能抑制了SOC代谢和矿化速率。该研究结果有助于理解随机性和确定性过程间平衡机制，解析了微生物群落装配和SOC动力学的潜在关系，为微生物群落装配介导深层SOC代谢动态变化提供了理论依据。

该项研究结果以“Coupling bacterial community assemblyto microbial metabolism across soil profiles”为题，于2020年6月发表在mSystems上。（IF=6.633）