『锐帮读』宏基因组测序研究亚马孙雨林土壤微生物

sailing_387 2016-09-10

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Soil microbiome responses to the short-term effects of Amazonian deforestation

Molecular Ecology, 2015, IF: 6.494

亚马孙热带雨林（Amazon Rain Forest）位于南美洲的亚马逊盆地，占地700万平方公里。雨林横越了8个国家：巴西（占森林60%面积）、哥伦比亚、秘鲁、委内瑞拉、厄瓜多尔、玻利维亚、圭亚那及苏里南，占据了世界雨林面积的一半，森林面积的20%，是全球最大及物种最多的热带雨林，被人们称为“地球之肺”。近年来，随着人口的迅速增长和对粮食、土地需求的逐渐增加，大面积森林被砍伐用作耕地和牧场。在亚马逊地区，大面积森林被砍伐、焚烧，以满足人类循序发展的需要，而这种刀耕火种的耕作方式会导致土壤养分的改变，对土壤微生物的群落结构和功能产生重要影响。

材料与方法

取样：在三个不连续地点对原始森林和砍伐后森林的土壤进行取样，位点分别为area 1 (15°11045″S and 59°03031″W)、area 2 (14°21038″S and 57°21027″W)、area 3 (13°21057″S and 54°54024″W)；每个位点分别取5个（东、西、南、北、中，其它4个取样点距离中心取样点50 m）表层土样（表层20 cm，直径5 cm），共30个样品，冰上运输，-20℃保存，72 h内处理。

DNA提取：Power Soil DNA Isolation kit (Mo Bio Laboratories Inc., Carlsbad, CA, USA)，每个样品提取两次，-20℃保存。

测序策略：每个位点取3个样品（中间、东、西），对这18个样品进行测序：

16S rDNA V4区，Roche 454 GS FLX system；

soil shotgun metagenomes：Illumina HiSeq 2000，PE101，每个样品平均2.3 – 13.9Gb数据量。

实验结果

1. 刀耕火种的森林砍伐对土壤养分的影响

刀耕火种的耕作方式减少了土壤有机质和酸度相关成分，提高了土壤pH、盐基饱和度及可交换盐基总量。

2. 刀耕火种的森林砍伐对微生物丰度、群落结构多样性及系统发育的影响

森林毁坏后微生物群落的α多样性增加，富营养型细菌Actinomycetales增加，Chlamydiae、Planctomycetes和Verrucomicrobia菌减少。

表1 不同位点微生物多样性指数

3. 群落结构功能比较

破坏森林过程中，微生物群落中与营养代谢相关基因无显著变化，但是与DNA修复，蛋白加工、修饰、降解和折叠相关的基因出现差异，这些功能的变化可能表明了微生物对刀耕火种毁林耕作方式土壤变化的适应。同时，与代谢相关微生物群落结构出现差异。

图1 不同位点微生物群落结构功能差异

4. 原始森林与砍伐后森林功能菌群差异

对原始森林和砍伐后森林中与DNA、RNA、Protein、Nitrogen、Phosphorus、Potassium、Sulfur、Iron acquisition and metabolism、Metabolism of aromatic compounds和Secondary metabolism相关的微生物在门水平上进行分类，研究结果显示森林砍伐对土壤微生物群落组成有重要影响。

图2原始森林与砍伐后森林功能菌群差异

5. 微生物共生网络与土壤环境因素之间的关系

原始森林与砍伐后森林土壤菌群表现出不同系统发育模式。研究发现，Planctomycetes与土壤养分Al具有显著相关性，Actinobacteria与N具有显著相关性。该实验结果揭示了森林砍伐造成的微生物群落结构和功能适应性的改变，同时猜测微生物的这种适应性可能是微生物对森林破坏后土壤养分剧烈变化的缓冲作用。

图3微生物共生网络与土壤环境因素之间的关系

微生物共生关系局部网络与土壤环境因素之间的关系显示：原始森林和砍伐后森林的土壤微生物与土壤养分之间的关系差异显著。原始森林中微生物与Al（aluminium）、T（cation exchange capacity）、OM（organic matter）、H+Al（Al saturation potential acidity）之间没有负相关关系；而在砍伐后森林中，所有OTU与OM之间都是负相关关系。