作者解读 | 亚林所&兰州大学合作揭示古香榧林土壤原核生物群落组装机制(国人佳作)

编译：张传继，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读  

土壤微生物多样性在维持元素循环和全球生态系统稳定等方面具有重要功能，相关研究对于制定生态系统可持续策略具有重要意义，因而受到全球科学家高度关注。由于土壤微生物群落的复杂性和自然环境的异质性，人类活动（如农业活动）如何影响土壤微生物和植物间的互作关系，尤其在古森林生态系统中仍不明确。

香榧（Torreya grandis）为红豆杉科榧属植物，其种子富含多种营养物质和生物活性化合物（如维生素），常作坚果食用。种植香榧是我国浙江、安徽和福建等亚热带山区农民的主要收入来源。近20年来，受香榧子价格上涨和需求刺激，香榧种植业进入快速发展期，导致翻耕和化肥施用等农业活动对古香榧林生态系统的干扰日益增强。研究表明，过量无机肥施用会改变土壤、土壤微生物和植物之间的互作关系，危及森林生态系统的稳定性和碳汇。在全球气候变化背景下，揭示人类活动对古香榧林中植物与土壤微生物互作的潜在影响，有助于科学家制定有效的策略以平衡古香榧林保护与果实生产。

该研究通过分析位于我国东南部古香榧林生态系统土壤理化性质和土壤原核生物群落特征，探讨了跨越近900年香榧树根际、非根际土壤原核生物群落的组装机制。结果发现，林龄不影响香榧根际和非根际土壤原核生物的群落组成及其alpha多样性。相反，土壤非生物因素（如pH）对香榧根际和非根际土壤原核生物群落的影响高于香榧树自身特征（如高度、组织碳、氮和磷含量），并主导了原核生物群落的组装过程。同时，随pH增加，香榧根际和非根际土壤原核生物群落alpha多样性逐渐增加。借助随机森林分析，该研究揭示了酸性定植菌群与近中性定植菌群优势度转变的重要pH转折点（pH=4.9）。

共现性网络进一步显示，与“pH≥4.9”的样地相比，“pH<4.9”样地中原核生物群落网络互作关系明显简化，表明土壤酸化会诱导土壤原核生物多样性损失、破坏原核生物间的潜在互作关系。该研究结果证实：土壤理化性质变异几乎完全抵消了宿主植物在根际土壤原核生物群落组装和互作中的作用。因此，减少无机肥施用等措施对于古香榧林的保护至关重要。  

图文摘要

论文ID

原名：Factors driving the assembly of prokaryotic communities in bulk soil and rhizosphere of Torreya grandis along a 900-year age gradient     

译名：古香榧林根际和非根际土壤原核生物群落组装的驱动因素    

期刊：Science of the Total Environment  

IF：10.753 

发表时间：2022.4      

第一作者：王斌

第一作者单位：中国林业科学研究院亚热带林业研究所

通讯作者：纳小凡

通讯作者单位：兰州大学

DOI：10.1016/j.scitotenv.2022.155573

实验设计

结果

1 香榧根际和非根际土壤原核生物群落差异分析

测序结果表明，香榧非根际土壤原核生物群落结构显著区别于根际土壤（图1A），且非根际土壤原核生物群落的alpha多样性指数（如OTU丰富度、Shannon和Pielou指数）均显著高于根际群落（图1B）。在土壤优势门中，除变形菌门外，香榧根际土壤中酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、疣微菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门、绿弯菌门和奇古菌门的相对丰度均显著低于非根际土壤（图1C）。

图1 香榧根际与非根际土壤原核生物群落组成及alpha多样性的变化。

（A）香榧根际和非根际土壤原核生物群落组成的主坐标分析。椭圆环表示95%置信区间。（B）香榧根际和非根际土壤原核生物群落alpha多样性指数变化。（C）香榧根际和非根际土壤优势门相对丰度的变化（***表示p<0.001）。

共线性网络分析发现，香榧非根际土壤原核生物群落较根际群落具有更高的网络复杂度（图2）。具体表现在非根际土壤原核生物群落的网络结构具有更多的节点和边，且其网络平均路径长度更短。这一结果可能与非根际土壤中原核生物群落拥有更高的alpha多样性有关（图1），这是因为alpha多样性更高的微生物群落会增加不同微生物群体间互作的可能。此外，香榧根际土壤原核生物群落共线性网络中的互斥关系比例以及互作关系强度均高于非根际土壤（图2C），说明根际原核生物群体之间可能存在更加强烈的潜在互作。这种强烈的互作关系可能有利于根际微生物利用和降解根系分泌物中的复杂分子，并有助于维持根际微生物群落的稳定性。

图2（A）香榧非根际和（B）根际土壤原核生物群落共现性网络。（C）香榧根际和非根际土壤土壤原核生物群落共现性网络参数。

2 原核生物群落alpha多样性指数变化的驱动因素

随机森林模型发现，土壤pH、酸性磷酸酶活性和香榧根系全氮含量是解释香榧非根际土壤原核生物群落alpha多样性变化的三个最重要因子（图3C）。土壤pH同样是解释香榧根际土壤原核生物群落alpha多样性的首要因子，其次为土壤纤维素酶活性和香榧株高（图3D）。

图 3 随机森林模型预测原核生物群落 Shannon 指数。 

基于随机森林模型对香榧非根际（A）和根际（B）土壤原核生物群落Shannon指数预测结果。随机森林模型中各变量影响香榧非根际（C）和根际（D）土壤原核生物群落Shannon指数的重要性排序图。RTOC-根总有机碳含量；STOC-茎有机碳含量；LTOC-叶总有机碳含量；RTN-根氮含量；STN-茎氮含量；LTN-叶氮含量；RTP-根磷含量；STP-茎磷含量；LTP-叶磷含量；APA-土壤酸性磷酸酶活性；CA-土壤纤维素酶活性；SIA-土壤蔗糖酶活性；DHA-土壤脱氢酶活性；UR-土壤脲酶活性；TOC-土壤总有机碳；TN-土壤全氮；TP-土壤全磷；AP-土壤有效磷含量；GWC-土壤含水量；EC-电导率；NO 3 -N-硝态氮含量；NH 4 -N-铵态氮含量。

3 原核生物群落结构变异的因子分析

变差分解分析发现，土壤理化性质是驱动香榧非根际、根际土壤原核生物群落结构变异的主要因素，分别、单独解释了香榧非根际和根际土壤原核生物群落结构变异的20.1%和18.0%。其中，土壤酸性磷酸酶活性对原核生物群落变化的解释度最高，其次为pH、脲酶活性、电导率和土壤含水量。此外，香榧根系氮含量和有机碳含量是驱动非根际和根际土壤原核生物群落变异的主要植物特征，分别解释了非根际和根际土壤群落各自变化的17.7%和9.9%及9.2%和5.2%（表1）。

表1 冗余分析显示不同变量对香榧非根际和根际土壤原核生物群落变异的解释率。

4 土壤pH对原核生物群落共线性网络的影响

随机森林分析发现，利用所获得的部分原核生物群落OTU，能够准确预测土壤pH值；根际和非根际模型对pH变化的解释均超过60%。利用线性模型分析，作者将这些OTUs分为酸性、居间和近中性土壤定殖菌群。其中，酸性定殖菌群在低pH（pH=3.9-4.7）土壤丰度较高，而近中性定殖菌群在pH为5.8-6.5的土壤中富集（图S7）。居间定殖菌群在pH轴的中部比例最高，而在轴的两端则较低。观察发现，在根际和非根际土壤中超过一半的OTU属于近中性定植菌群。

图S7（A）维恩图显示香榧根际和非根际土壤中解释土壤pH值的特有和共有OTU数量。（B）香榧非根际和（C）根际土壤中酸性和近中性定殖菌群相对丰度总和随pH升高的变化。

通过比较酸性定植菌群和近中性定植菌群相对丰度的变化，作者发现了两类菌群优势度发生明显改变的pH临界点（pH=4.9，图S7）。由于pH可以显著影响原核生物群落alpha多样性和群落组成，因此研究人员假设土壤酸化可能会干扰微生物群落的共现性模式。为验证这一假设，作者将样品分为“pH≥4.9”和“pH<4.9”两组，并分别对非根际和根际土壤原核生物群落的共线性网络进行比较。结果发现，在这两类样本中，非根际土壤原核生物群落的网络复杂度高于根际土壤（图5）。重要的是，“pH≥4.9”样本中原核生物群落的网络复杂度较“pH<4.9”样本更加复杂（图5），主要表现在“pH≥4.9”样本中的节点、边数、平均聚类系数、路径长度以及网络密度均高于“pH<4.9”样本（表2）。这一结果表明土壤酸化会破坏根际和非根际土壤原核生物群体间的潜在互作。

图5 共现性网络分析显示不同pH条件下香榧非根际（A，pH<4.9；B，pH≥4.9）和根际（C，pH<4.9；D，pH≥4.9）土壤原核生物群落间互作关系变化。Pro-变形菌门；Act-放线菌门；Aci-酸杆菌门；Arm-装甲菌门；Bac-拟杆菌门；Chl-绿弯菌门；Chla-衣原体门；Fir-厚壁菌门；Gem-芽单胞菌门；Pla-浮霉菌门；Nit-硝化螺旋菌门；Rok-Rokubacteria；Ver-疣微菌门；Unk-未知菌。

表2 不同酸性条件下非根际与根际土壤原核生物群落共线性网络参数。

讨论

香榧林龄、生长势（如株高）和自身特征（如组织碳、氮和磷含量）对其根际土壤原核生物群落alpha多样性和结构的影响明显小于土壤理化因子。由于根系分泌物会随植物发育阶段和土壤理化性质和营养状况改变而发生变化，而土壤理化性质职责能够同时调节香榧根系生理活动和非根际土壤微生物群落结构，从而影响根际原核生物群落的组装。这些结果说明有农业生产等人类活动干扰时，常绿多年生植物主要通过短期效应而非积累效应招募其根际原核生物群落。

根际作为植物与土壤微生物互作的重要界面，其微生物群落的菌群密度远高于非根际土壤。因此，相对于非根际土壤来说，根际土壤微生物群体间对资源和空间的竞争更加强烈。这种竞争关系可能有利于根际微生物利用和降解根系分泌物中的复杂分子，并有助于维持根际微生物群落的稳定性。

该研究发现，在“pH<4.9”和“pH≥4.9”条件下，根际和非根际原核生物菌群对土壤pH值的变化具有相反的缓冲作用。一种解释是：由于细菌群落最适pH范围较窄，这一特征使得酸性和近中性菌群相对丰度分别在3.9-4.9和4.9-6.5范围内对pH变化不够敏感，从而使预测的pH值偏离了真实值。另一个原因可能与酸性土壤生态系统中有效磷的含量变化有关。本研究的结果发现土壤有效磷的浓度随着pH增加而下降。磷有效性的下降会刺激土壤细菌通过分泌磷酸酶和有机酸来改善自身对磷的需求。因此，土壤原核生物分泌有机酸的含量可能决定了其在特定pH值附近的缓冲能力和方式。

值得注意的是，“pH<4.9”条件下香榧非根际土壤原核生物群体间互斥关系比例较“pH≥4.9”明显减少（4.4% vs 24.8%）。相反，根际土壤原核生物群落间的共生和互斥比例则无明显差异。这可能是因为在酸性条件下，植物会通过向根际释放有机物保护和维持原核生物群体间的潜在拮抗关系。这虽然不能完全缓解土壤酸化对植物-微生物互作的负面影响，但寄主植物的这种根际效应可能有助于维持根际土壤微生物群落的稳定性。在未来，通过共培养试验模拟pH对根际微生物间互作关系的影响，将有助于进一步了解根际微生物在植物生长和健康中的作用。

结论

综上所述，该研究揭示了土壤酸化对香榧根际和非根际土壤原核生物群落的负面效应及机制。古香榧林土壤原核生物的多样性和群落组成很大程度上取决于土壤理化特征，而非香榧林龄或生理特征。林龄对香榧林地土壤原核生物群落无明显影响。由于土壤pH值与原核生物群落alpha多样性和互作网络的复杂度高度相关，推测土壤酸化是影响香榧森林生态系统稳定性和香榧产量的重要威胁之一。