土壤pH和温度调节农业生态系统中丰富和稀有细菌群落的构建过程

研究背景

目前，微生物群落生态学的发展从对微生物分布模式的描述转向对微生物群落构建过程中潜在机制的理解。关于确定性（生态位理论）和随机性（中性理论）过程在微生物群落构建中的相对贡献，目前仍存在争论。陆地生态系统和水生生态系统的微生物群落构建过程可能不同。由于对水的管理不同，农业土壤可分为非饱和土壤（如玉米田）和饱和土壤（如水稻田），二者具有不同的微生物多样性模式。然而，在不饱和土壤和饱和土壤的农业生态系统中，对影响“丰富”和“稀有”细菌类群群落构建的机制的研究仍然很少。为了提高对群落构建过程机制的理解，必须探明调节随机性过程和确定性过程平衡的因素。本研究的目的是：(1)探索农业生态系统中丰富和稀有细菌类群的生物地理模式；(2)揭示调节丰富和稀有细菌群落构建过程的潜在环境因子。

材料与方法

农业土壤样品采集自中国东部地区，北纬18.30°到48.35°，东经87.61° 到99.91°的范围内。从133个长期种植玉米和水稻的农田中采集了251个土壤样品；其中有118个玉米和水稻田的成对样品（距离小于5公里），8个玉米专用地和7个水稻专用地。年平均气温（MATs）和年平均降水量值来自WorldClim数据库（www.WorldClim.org）。在97%相似度水平上划分OTU,将相对丰度高于总序列0.1%的OTU定义为“丰富”OTU，将相对丰度低于0.01%的OTU定义为“稀有”OTU，将相对丰度介于0.01%和0.1%之间的OTU定义为“中间”OUT。

结果与讨论

丰富和稀有类群群落结构的一般模式：丰富类群主要由变形杆菌门、酸杆菌门和放线杆菌门组成；稀有类群主要由绿弯菌门、浮霉菌门和厚壁菌门组成。丰富类群出现在所有样品中，而稀有类群仅出现在小于20%的样品中。稀有类群在OTU中所占比例较高（平均值为63.2%）；然而，它们只占每个样品相对丰度的11.5%。丰富类群比稀有类群更为普遍，这表明稀有类群是由农业生态系统中不同生态位的存在所介导的。丰富类群在OTU中所占比例很低（平均为4.7%）；但占每个样品平均相对丰度的48.6%。丰富类群在玉米土中的OTU丰富度和相对丰富度均高于水稻土；稀有类群表现出相反的趋势。水稻土比玉米土具有更多的稀有类群，这可能是由于稻田中存在饱和-不饱和循环，导致需氧类群和厌氧类群同时存在。

不同群落构建过程的相对影响：土壤pH和MAT分别是影响“丰富”和“稀有”类群群落构建的最重要环境变量（图1）。在丰富类群中和稀有类群中，均有不同数量的OTU被鉴定为碱敏感型、酸敏感型、热敏感型和冷敏感型。同时在丰富类群中，大多数门对土壤pH的系统发育信号强于对MAT的系统发育信号。也就是说，在丰富类群中，近缘种对土壤pH的响应比对MAT变化的响应更为相似。而在大多数稀有门中，对MAT的系统发育信号强于对pH的系统发育信号。由于稀有类群是微生物多样性的重要贡献者，环境温度的变化可能会对稀有类群产生更大的影响。土壤pH值和MAT值的差异增大，导致了丰富类群和稀有类群的群落构建由同质选择起主要作用向随机过程起主要作用转变。在丰富类群中，同质选择的影响随土壤pH值的增加而增加；在稀有类群中，随机过程的相对影响随MAT值的增加而减小（图2B）。在玉米田和水稻田土壤中都观察到了类似的结果。

图1. 影响“丰富”类群和“稀有”类群主要环境变量的CAP分析，基于βMNTD。

图2. 农业土壤中确定性和随机构建过程的相对影响。A.丰富类群的土壤pH值差异与βNTI的关系以及稀有类群的MAT与βNTI的关系。水平虚线表示βNTI显著性阈值为2和 -2。B. βNTI在不同类群间的分布模式，丰富类群为对应的pH差异，稀有类群为对应的MAT差异（p<0.05；多重比较采用Kruskal–Wallis检验）。

群落构建过程中的定量分析：通过揭示在不同生境下哪种过程对构建微生物群落更为重要，可更好地理解影响物种多样性产生和维持的机制。在本研究中，同质选择对稀有类群（65.8%）的群落构建的贡献大于对丰富类群（45.0%）的贡献，是对群落构建贡献最大的因素（图3）。分散限制（31.0%）和变量选择（9.3%）对丰富类群的影响大于稀有类群（分散限制：3.1%，变量选择：0.2%）。中性群落模型解释了在玉米土和水稻土中观察到的丰富类群比稀有类群更大的部分变异。对于丰富类群，确定性过程在水稻土（64.0%）比玉米土（61.7%）中对群落聚集的贡献更大。随机构建过程对水稻土稀有类群的影响（35.0%）是玉米土稀有亚群落的5倍（7.1%）。

图3. 在丰富类群和稀有类群的群落构建过程中，受各种确定性过程（包括同质和可变选择）和随机过程（包括扩散限制和均质扩散）控制的周转率，以及在农业土壤中不受任何单一过程控制的部分(“Undominated”)。图4. 农业生态系统中丰富和稀有细菌群落构建随土壤pH和MAT变化的随机过程。

结论与意义

本研究提出了一个概念框架，描述了农业生态系统中基于环境因子的细菌丰富类群和稀有类群群落构建过程（图4）。在稀有和丰富类群中，细菌群落的系统发育聚类是不同的。稀有类群在系统发育上比丰富类群的聚类更为紧密，而丰富类群较少受到随机构建过程的影响。不同生境条件下，随机过程对玉米土丰富类群的贡献大于稻田土，而对稀有类群的贡献则相反。土壤pH和MAT分别介导了丰富类群和稀有类群的聚集。在丰富类群中，较高的pH值会导致确定性构建过程的增加，而在稀有类群中，MAT的增加则导致随机性构建过程的减少。该模型有助于解释细菌多样性产生和维持的原因。细菌多样性对生态系统功能至关重要，确定这些可能造成和维持土壤细菌多样性的环境因子，对制定土壤生态系统的生产管理策略可以起到指导作用。