【原】科研 | Environ Microbiol：地理距離、土壤性質(zhì)與樹(shù)木共同影響歐洲南北樣帶土壤微生物組

微生態(tài) 2021-04-14

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編譯：微科盟橙，編輯：微科盟木木夕、江舜堯。

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導(dǎo)讀

與樹(shù)木根相關(guān)的微生物受地理因素、土壤理化性質(zhì)和樹(shù)木的影響。但這些因素對(duì)較大空間尺度上土壤微生物組變化的影響的相關(guān)研究較少。作者選擇橡樹(shù)無(wú)性系DF159（Quercus robur L.）作為研究對(duì)象，在歐洲南北四個(gè)草地進(jìn)行種植。四年后，首先比較了根區(qū)（RZ）和非根區(qū)（RFZ）土壤微生物的區(qū)系組成。隨后對(duì)比了不同區(qū)域的整體微生物組，并比較了它們?cè)跈M斷面上的變異性。非根區(qū)微生物組內(nèi)部的變化受地理和土壤因素的影響，細(xì)菌的響應(yīng)比真菌更為強(qiáng)烈。根區(qū)微生物組內(nèi)的變異主要取決于樹(shù)木和非生物參數(shù)。根區(qū)微生物組受采樣點(diǎn)和地理距離的影響大大降低，并且真菌比細(xì)菌更為明顯。塑造根區(qū)微生物組可能作為一種機(jī)制，幫助橡樹(shù)適應(yīng)整個(gè)地理區(qū)域的各種環(huán)境條件。

論文ID

原名：Balance between geographic, soil, and host tree parameters to shape soil microbiomes associated to clonal oak varies acrosssoil zones along a European North–South transect

譯名：地理距離、土壤性質(zhì)與樹(shù)木共同影響歐洲南北樣帶土壤微生物組

期刊：Environmental Microbiology

IF：4.933

發(fā)表時(shí)間：2021.2

通訊作者：Jean de Dieu Habiyaremye

通訊作者單位：德國(guó)亥姆霍茲環(huán)境研究中心

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

作者于2014年在不同的歐洲南北不同區(qū)域進(jìn)行橡樹(shù)種植，橡樹(shù)是歐洲森林中的基礎(chǔ)樹(shù)種，具有廣泛的地理分布。通過(guò)比較橡樹(shù)根區(qū)（RZ）和非根區(qū)（RFZ）土壤來(lái)研究歐洲南北樣帶的細(xì)菌和真菌土壤群落的變化。橡樹(shù)與土壤細(xì)菌和真菌建立了緊密的相互作用關(guān)系。微生物群落不僅直接受到植物的影響，還受到當(dāng)?shù)胤巧飾l件的直接影響。因此調(diào)查研究三組土壤微生物組：（i）非根區(qū)（RFZ）微生物組，（ii）根區(qū)（RZ）微生物組和（iii）根區(qū)（RZ）核心微生物組。分別對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因和真菌ITS2 rDNA進(jìn)行了高通量擴(kuò)增子測(cè)序，并分析了與地理因素、土壤理化性質(zhì)和宿主樹(shù)木參數(shù)。

結(jié)果

1 田間土壤理化性質(zhì)和橡樹(shù)植物參數(shù)

作者在田間地點(diǎn)觀察到土壤理化參數(shù)的變異性。pH值從芬蘭最北端的酸性土壤變?yōu)榉▏?guó)最南端的中性土壤。土壤硝酸鹽和總氮含量南方要高于北方。對(duì)于測(cè)得的其他土壤參數(shù)，站點(diǎn)之間的變化不一。關(guān)于樹(shù)木參數(shù)，在低緯度地區(qū)樹(shù)木明顯較高。例如，到2018年波爾多的樹(shù)木比最北端的樹(shù)高高出兩倍多，樹(shù)枝長(zhǎng)出四倍多。此外，最北端的橡木比其他地方的樹(shù)木具有更高的比葉面積（SLA），但葉片干物質(zhì)含量（LDMC）較低，表明葉片壽命短且光合作用率低。然而，在2018年，法國(guó)東部的一些樹(shù)木參數(shù)并未遵循緯度梯度的變化規(guī)律。樹(shù)干、側(cè)枝（LB）和葉片干物質(zhì)含量（LDMC）的北部位點(diǎn)甚至較低（表1）。

表1：不同樣點(diǎn)的地理位置、土壤理化性質(zhì)和樹(shù)木參數(shù)。

表注：Google地球提供地理坐標(biāo)（緯度、經(jīng)度和海拔）。MAT（月平均氣溫，2019年1月到2019年12月）以及氣象數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2019年1月至2019年12月。土壤樣品的物理化學(xué)參數(shù)：pH、總碳（TC）、總氮（TN）、碳氮比（C / N）、冷水可提取碳（CWC）和冷水可提取氮（CWN）、CWC/CWN、熱水可提取碳（HWC）和熱水可提取氮（HWN）、HWC / HWN、土壤水分、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總礦物氮（N_min）、植物可用鉀（K_CAL）和磷（P_CAL）。LB代表前四個(gè)側(cè)枝；SF1、SF2和SF3是指2018年植被期間的第一、第二和第三拍攝。LDMC是指葉片干物質(zhì)含量和SLA是特定的葉面積。不同的上標(biāo)字母表示顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P <0.05）。

表2展示了土壤物理化學(xué)參數(shù)和樹(shù)木生長(zhǎng)參數(shù)的相關(guān)性分析的結(jié)果，表明土壤pH、含水率和總氮含量的差異與大多數(shù)的樹(shù)木參數(shù)顯著相關(guān)。相同的分析表明樹(shù)木生長(zhǎng)與地理相關(guān)參數(shù)的緯度和年平均降水量（MAP）顯著相關(guān)。

表2：不同樣點(diǎn)的地理位置、土壤理化性質(zhì)和樹(shù)木參數(shù)的斯皮爾曼相關(guān)性分析。

表注：LB代表前四個(gè)側(cè)枝；SF1、SF2和SF3表示在2018年第一、第二和第三拍攝的數(shù)據(jù)。LDMC是指葉片干物質(zhì)含量，SLA是特定葉面積。TC和TN分別代表總碳和氮，N_min表示總礦質(zhì)氮。MAP表明2014年9月至2018年8月的平均年降水量。顯著的相關(guān)性（P <0.05）以粗體突出顯示。

2 沿歐洲樣帶的RZ和RFZ之間的微生物組變化

在所有樣本中，共獲得了3087776個(gè)高質(zhì)量的16S rRNA基因序列，聚類為12638個(gè)細(xì)菌OTU。真菌共獲得1112637 ITS2 rDNA序列，聚類為2867個(gè)真菌OTU。細(xì)菌菌群中以變形桿菌（25.8％），浮霉菌（16.7％）和放線菌（11.0％）為主，而真菌則以子囊菌（69.8％），擔(dān)子菌（17.8％）為主。物種堆積圖顯示了不同樣點(diǎn)之間物種組成的相對(duì)豐度變化情況（圖1）。

圖1 根區(qū)和非根區(qū)（RZ和RFZ）之間以及田間地點(diǎn)之間土壤細(xì)菌和真菌的分布。圖中矩形內(nèi)的字母表示是否顯著差異。

為了確定土壤微生物不同生態(tài)位的核心OTU，作者挖掘了不同生態(tài)位的指示物種。209個(gè)土壤細(xì)菌OTU在RZ和RFZ之間具有顯著的棲息地偏好，其中在RZ中發(fā)現(xiàn)70個(gè)OTU，而在RFZ中發(fā)現(xiàn)了139個(gè)OTU中。同樣，共有40個(gè)土壤真菌OTU對(duì)任一區(qū)域具有顯著優(yōu)先性（P <0.05），其中10個(gè)OTU與RZ優(yōu)先相關(guān)，而30個(gè)OTU與RFZ相關(guān)。根據(jù)站點(diǎn)之間土壤微生物共有OTU的分析，在RZ中發(fā)現(xiàn)四個(gè)站點(diǎn)之間共享OTU的比例最高（圖2）。

圖2 田間站點(diǎn)之間根區(qū)微生物OTU的共有分布情況。

根據(jù)非度量多維尺度（NMDS）和多元方差分析（perMANOVA），細(xì)菌和真菌的微生物群落結(jié)構(gòu)在不同站點(diǎn)之間存在差異（圖3）。此外，細(xì)菌群落的異質(zhì)性還與樹(shù)高增加的百分比相關(guān)，而真菌群落的異質(zhì)性則與LDMC相關(guān)。

圖3 非度量多維尺度（NMDS）揭示細(xì)菌和真菌的微生物群落結(jié)構(gòu)。

3 地理因素、土壤理化性質(zhì)和樹(shù)木參數(shù)對(duì)沿歐洲樣帶的橡樹(shù)土壤微生物群落的影響

Shannon多樣性的分析（圖4）顯示了相似的模式，即RZ和RFZ隨緯度的降低，細(xì)菌群落的多樣性增加。Bordeaux的RFZ真菌多樣性顯著低于其他位點(diǎn)。對(duì)于RZ核心細(xì)菌和真菌微生物群，BadLauchst?dt、Fontain和Bordeaux之間的Shannon多樣性相似，Lapinj?rvi的Shannon多樣性最低。Spearman相關(guān)性結(jié)果表明土壤pH和總氮含量與RFZ的細(xì)菌和真菌多樣性相關(guān)（表3）。對(duì)于RZ微生物群，真菌多樣性與土壤理化參數(shù)均不相關(guān)，而細(xì)菌多樣性指數(shù)與pH、水分和總氮相關(guān)。對(duì)于RZ核心微生物組，只有土壤pH和含水量與細(xì)菌和真菌的多樣性相關(guān)。

圖4 歐洲南北橫斷面的土壤微生物多樣性指數(shù)。三個(gè)類別的微生物組：（1）非根區(qū)總微生物組，（2）根區(qū)微生物組（3）根區(qū)核心微生物組。每組中的不同字母表示顯著差異；n.s.表示無(wú)顯著差異。

表3：橡木非根區(qū)（RFZ）和根區(qū)（RFZ）土壤中的土壤物理化學(xué)和地理參數(shù)與微生物香農(nóng)多樣性之間的斯皮爾曼相關(guān)性分析。

表注：TC和TN分別代表總碳和氮，N_min表示總礦質(zhì)氮。MAP表明2014年9月至2018年8月的平均年降水量。顯著的相關(guān)性（P <0.05）以粗體突出顯示。

如NMDS結(jié)果所示（圖5），歐洲南北樣帶田間的微生物群落結(jié)構(gòu)不同。值得注意的是，對(duì)于細(xì)菌和真菌而言，地理位置效應(yīng)的大小從RFZ總微生物群到RZ核心微生物群都下降了。圖5還顯示了地理因素（緯度、MAT和MAP），土壤理化參數(shù)（pH、含水率、TC和TN）以及橡樹(shù)參數(shù)（樹(shù)高、比葉面積和葉片干物質(zhì)含量）極大影響了歐洲樣帶微生物群落的結(jié)構(gòu)。

圖5 基于Bray距離的非度量多維尺度圖（NMDS）顯示了田間地點(diǎn)之間細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)。P值和R2是perMANOVA的結(jié)果。TC（總碳）、TN（總氮）、MAT（2014年9月至2018年8月的月平均溫度），MAP（2014年9月至2018年8月的平均年降水量），LB（側(cè)枝-前四個(gè)分支），LDMC（側(cè)枝第一個(gè)枝條的葉干物質(zhì)含量），TH（主樹(shù)干高度）和TH incr（總高度增加）。

通過(guò)Mantel相關(guān)性測(cè)試來(lái)評(píng)估地理距離的影響，發(fā)現(xiàn)這三個(gè)因素之間存在正相關(guān)性（圖6），表明更遠(yuǎn)的地方存在更多獨(dú)特的微生物群落。對(duì)于細(xì)菌群落，在RZ和RFZ總微生物組中觀察到了相似的相關(guān)性，而在RZ核心微生物組中觀察到了較低的相關(guān)性。對(duì)于真菌而言，RFZ總微生物組的觀察到的相關(guān)性最高，其次是RZ總微生物組和RZ核心微生物組。

圖6 土壤細(xì)菌和真菌群落Bray-Curtis差異與地理距離的相關(guān)性。在非根區(qū)域、根區(qū)和根區(qū)核心微生物組之間進(jìn)行交叉比較。

4 地理因素、土壤理化性質(zhì)和樹(shù)木參數(shù)對(duì)沿土壤微生物群落的不同影響

在不考慮相互作用的情況下，土壤理化性質(zhì)、樹(shù)木和地理因素分別解釋了RZ細(xì)菌微生物組的變化的3.7％、2.8％和1.6％（圖7A）。這些參數(shù)均未對(duì)RZ真菌微生物組產(chǎn)生獨(dú)立的影響。當(dāng)與其他可變性來(lái)源的相互作用產(chǎn)生的單一和綜合影響綜合分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)RZ總微生物群為：地理分布（細(xì)菌68.6％，真菌51.9％）；土壤理化性質(zhì)（細(xì)菌66.5％，真菌44.6％）；橡樹(shù)參數(shù)（細(xì)菌60.7％，真菌38.4％）。總體而言，測(cè)試參數(shù)可以分別解釋RZ的總細(xì)菌和真菌群落變異的75.1％和55.5％（圖7A）。對(duì)于RZ核心微生物組，沒(méi)有觀察到細(xì)菌變異性測(cè)試來(lái)源的單一影響，而對(duì)于真菌，僅樹(shù)木參數(shù)解釋了32.3％，通過(guò)土壤理化和地理參數(shù)單獨(dú)解釋了14.8％。對(duì)于RZ核心細(xì)菌群落，地理參數(shù)仍然是群落變異性的主要驅(qū)動(dòng)因素（49.8％），其次是土壤理化參數(shù)（40.2％）和樹(shù)木參數(shù)（34.7％）。對(duì)于RZ核心真菌，樹(shù)木參數(shù)解釋了最大的變化量（58.1％），其次是地理和土壤物理化學(xué)參數(shù)。總體而言，通過(guò)測(cè)試參數(shù)可以解釋RZ核心細(xì)菌和真菌群落中56.1％和90.8％的變異（圖7B）。

圖7 地理因素、土壤理化性質(zhì)和樹(shù)木參數(shù)對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落變化的影響；A）根區(qū)總微生物組；B）根區(qū)核心微生物組；每個(gè)圓圈代表每個(gè)類別所占的變化比例。

討論

當(dāng)前的研究揭示了在歐洲南北橫斷面的四個(gè)位置，橡樹(shù)RZ和RFZ中不同的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。由于RZ和RFZ的微生物區(qū)系由于鄰近而部分重疊，因此，通過(guò)考慮RZ核心微生物區(qū)系，將樹(shù)的各個(gè)影響因素與非生物環(huán)境參數(shù)之間的比較進(jìn)行了細(xì)化。將這些RZ核心微生物群定義為與RFZ相比在RZ中顯著富集的土壤細(xì)菌和真菌的亞群落。當(dāng)考慮到RZ和RFZ的總微生物組時(shí)，觀察到沿樣帶的細(xì)菌和真菌Shannon多樣性之間存在不同的位點(diǎn)特定模式，而放大到RZ核心細(xì)菌和真菌微生物群時(shí)，這些模式高度相似。RZ核心微生物組受非生物環(huán)境的影響降低。

1 橡樹(shù)的生長(zhǎng)與歐洲南北樣帶的位點(diǎn)特異性的關(guān)系及其對(duì)與根相關(guān)的微生物組的影響

歐洲南北斷面的跨采樣點(diǎn)在氣候和土壤物理化學(xué)上有所不同，這對(duì)橡樹(shù)的生長(zhǎng)產(chǎn)生了影響。如前所述，較低緯度的氣候變暖加速了有機(jī)物的分解，從而增加了樹(shù)木的養(yǎng)分利用率，而較高緯度的較冷地區(qū)的土壤往往積聚了未分解的有機(jī)物。此外，在接近中性土壤的pH值（6.5-7.5）下樹(shù)木生長(zhǎng)更好，因?yàn)樵谠損H值范圍內(nèi)可獲得礦物質(zhì)養(yǎng)分。土壤pH值對(duì)土壤養(yǎng)分有效性的直接影響土壤微生物。因此，在低緯度地區(qū)（如波爾多）觀察到的樹(shù)木生長(zhǎng)良好，而在高緯度地區(qū)Lapinj?rvi的樹(shù)木生長(zhǎng)較小，這與它們各自的氣候條件和土壤pH值相符。

樹(shù)木生物量的增加意味著根系分泌物的增加，這強(qiáng)烈影響與根系相關(guān)的微生物群落。因此，預(yù)計(jì)沿歐洲樣帶觀察到的橡樹(shù)生長(zhǎng)變化會(huì)影響所研究地點(diǎn)之間RZ的微生物群落。

2 橡樹(shù)RZ與RFZ的微生物群落組成以及樹(shù)木對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

即使在RFZ樹(shù)中也檢測(cè)到RZ的大部分土壤細(xì)菌和真菌類群，但某些屬和OTU的檢測(cè)頻率顯示它們偏愛(ài)特定區(qū)域。在RZ中富集的一些特殊分類群是腐生細(xì)菌和真菌以及共生真菌。鑒定出的RZ核心細(xì)菌包括硝化螺菌屬的成員，該屬包括土壤中的重要硝化劑，以及桿菌可以降解復(fù)雜的多糖并潛在地促進(jìn)其宿主植物的生長(zhǎng)。對(duì)于RZ核心真菌，檢測(cè)到了外生菌根真菌、硬皮菌和腐霉菌。與草本植物相比，樹(shù)木釋放出更多的滲出液，因此RZ中微生物功能群落的富集與它們對(duì)根莖植物作為主要來(lái)源的高度依賴碳和養(yǎng)分含量。

NMDS分析了特定田地中樹(shù)木RZ和RFZ之間的微生物群落結(jié)構(gòu)，這也證明了樹(shù)木對(duì)土壤微生物群落的影響。在Lapinj?rvi注意到細(xì)菌和真菌群落的兩個(gè)區(qū)域之間缺乏分隔，這可能是由于該樣帶最北端的樹(shù)木性能下降，生長(zhǎng)緩慢和LDMC低所致。由于LDMC可以作為光合作用的替代物，因此低值通常表明根狀莖沉積減少。這與該站點(diǎn)原本的良好表現(xiàn)形成了鮮明對(duì)比。

3 非生物環(huán)境參數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)

在當(dāng)前的研究中，觀察到地理和土壤理化參數(shù)的單一或共同對(duì)土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響。這些非生物環(huán)境參數(shù)的變化導(dǎo)致沿樣帶的位點(diǎn)特異性，并且通常對(duì)土壤細(xì)菌的影響要大于對(duì)真菌的影響。這種對(duì)土壤細(xì)菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈立地效應(yīng)似乎主要與細(xì)菌對(duì)土壤pH和氣候參數(shù)的高度依賴性有關(guān)。真菌的群落結(jié)構(gòu)也受到土壤pH值的影響。此外，由于歐洲北南樣帶沿土壤pH和氣候條件的差異不斷增加，這些地點(diǎn)之間的地理距離越大，微生物群落越相似。細(xì)菌和真菌之間的地理距離與微生物群落之間的差異之間的顯著正相關(guān)，也稱為距離衰減。研究中揭示了細(xì)菌和真菌群落之間的不同空間格局，這表明了塑造這兩個(gè)微生物組的獨(dú)特機(jī)制。

土壤總碳、總氮和含水率也是決定該樣帶微生物群落結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。這些發(fā)現(xiàn)與研究揭示了局部和全球尺度上土壤有機(jī)質(zhì)和水分含量對(duì)土壤微生物群落的影響相一致。當(dāng)土壤微生物以有機(jī)基質(zhì)為食時(shí)，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)取決于土壤中可用有機(jī)基質(zhì)的數(shù)量和類型。此外，土壤有機(jī)底物來(lái)自與氣候相關(guān)的植物初級(jí)生產(chǎn)。氣候參數(shù)對(duì)土壤微生物的影響要大于土壤理化參數(shù)。

4 橡木植酸計(jì)的相對(duì)貢獻(xiàn)

與RZ和RFZ總微生物組相比，RZ核心微生物組受位點(diǎn)特異性和地理距離的影響要小得多。這主要與RZ核心微生物組與宿主的緊密連接有關(guān)。研究結(jié)果表明，這種宿主穩(wěn)定作用對(duì)真菌比對(duì)細(xì)菌更重要。反過(guò)來(lái)，這可能是由于真菌對(duì)宿主植物的依賴性更高。細(xì)菌，通常受非生物環(huán)境參數(shù)的影響更大。

對(duì)野外場(chǎng)所樹(shù)RZ上的細(xì)菌和真菌OTU進(jìn)行的重疊分析顯示，有一個(gè)微生物組，可將其視為橡樹(shù)克隆DF159的“核心微生物組”。核心微生物組是指RZ中富集的細(xì)菌和真菌OTU，因?yàn)樗鼈儗?duì)宿主樹(shù)具有親和力，并且由于其能夠應(yīng)對(duì)橫斷面變化的環(huán)境條件，因此在所有地點(diǎn)都是普遍存在。由于核心植物微生物組包含重要的微生物類群，可支持植物適應(yīng)性，因此可以假定橡樹(shù)核心微生物組可幫助樹(shù)木沿著樣帶建立。該核心微生物組與特定地點(diǎn)的微生物的相互作用，促進(jìn)了樹(shù)木對(duì)單個(gè)地點(diǎn)的適應(yīng)性。

評(píng)論

該研究證明了與樹(shù)木根部相關(guān)的土壤微生物組對(duì)地理因素、土壤物理化學(xué)性質(zhì)和宿主樹(shù)木參數(shù)之間的相互作用有響應(yīng)，并研究了細(xì)菌和真菌之間變化情況，當(dāng)放大在根部附近富集的微生物組時(shí)，宿主樹(shù)的影響會(huì)增強(qiáng)。實(shí)際上，非生物和宿主樹(shù)木之間通過(guò)高度復(fù)雜的相互作用影響土壤微生物群落，樹(shù)木參數(shù)對(duì)氣候或土壤條件的高度依賴，而后者也受到宿主樹(shù)木的反向影響。盡管樣點(diǎn)之間的空間距離很大，但RZ核心OTU在所有地點(diǎn)都普遍存在。為了充分了解樹(shù)木在田間條件下對(duì)其根系相關(guān)微生物的影響，需要在其他土地利用系統(tǒng)下進(jìn)行類似的研究。

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