|
编译：橙，编辑：小菌菌、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 导读当前在全球范围内环境压力胁迫正逐渐增加，但作者仍然缺乏明确的观点来进一步说明环境压力胁迫如何破坏微生物群落及其提供的生态系统服务的稳定性。 在本研究中，作者首次提出自然存在的微生物群落在持续的压力胁迫作用下，微生物群落表现出不稳定的网络特性的观点。通过评估佛罗里达灌丛生态系统中沿环境压力梯度的土壤微生物群落多样性和结构变化，作者发现： （1）高胁迫下原核生物和真菌多样性下降， （2）网络稳定的微生物群落特性与环境压力之间存在明显的负相关关系。有趣的是，病原微生物的相对丰度沿着胁迫梯度下降，而寡营养微生物和共生微生物则随之增加。鉴于微生物群落在生态系统功能中所起的关键作用，作者的研究结果表明，环境压力胁迫的增加可能会破坏微生物群落的稳定性并破坏其生态系统服务功能。 原名：Environmental stress destabilizes microbial networks通讯作者单位：美国迈阿密大学生物系 美国迈阿密大学生物系Damian J. Hernandez等人通过采集佛罗里达州不同环境压力胁迫梯度（2种土壤深度×3种生境类型）的土壤样品，该生态系统是佛罗里达州最古老的生态系统之一，位于佛罗里达州中部的威尔士湖山脊上（图1），与海拔高度相关的环境压力胁迫梯度是该系统中植物群落集合的重要决定因素。同时结合分子生物学手段进行DNA提取及高通量测序及对处于不同的环境压力的微生物群落多样性及微生物网络特性进行研究。为微生物生态研究中微生物群落在不同环境压力胁迫下的网络结构、群落多样性及丰度特征和功能的研究具有重要的借鉴意义。 
1 定量环境压力 作者使用qPCR对于环境中的原核生物丰度（16S rRNA引物）进行了定量，用于研究微生物群落所处的环境压力。原核生物丰度代替微生物胁迫，类似于使用植物生物量估算植物群落的胁迫。为了量化不同土壤深度×生境组合之间的相对环境压力水平，首先对偏差进行了分析，并进行了混合模型因子方差分析（固定效应：栖息地，深度，栖息地×深度；随机效应：样点重复）。从最小到最大的环境压力梯度为：低洼地区树林覆盖的表土部分<长满灌木和矮树覆盖的表土部分<迷迭香灌木覆盖的表土部分<低洼地区树林覆盖的地下部分<长满灌木和矮树覆盖的地下部分<迷迭香灌木覆盖的地下部分。使用斯皮尔曼相关性检验原核生物的丰度与环境压力等级进行了回归分析，进而明确原核生物的丰度沿着该等级梯度下降。并使用斯皮尔曼相关性来测试物种丰富度、多样性和均匀度在此环境压力梯度下的变化情况。原核生物的丰度在六个生境/深度组合中显示出清晰的环境压力梯度，其中环境压力与原核生物丰度成反比（图2）。地下部分土壤的原核生物的丰度估计值比表层土壤要低，并且从环境压力胁迫梯度来看，原核生物的丰度沿着低洼地区树林覆盖的表土部分，灌木和矮树覆盖的表土部分以及迷迭香灌木覆盖的表土部分下降。
为了评估微生物群落特性如何随环境压力梯度变化，作者比较了这六种环境下的丰富度和多样性。总体而言，在六个环境中，真菌和原核生物的OTU数量随着环境压力的增加而降低（图3a）。但对于香农多样性则较弱，因为物种在各个环境之间的均匀度相当恒定。高环境压力（低多样性）样点中存在的同现网络中的分类单元很大程度上是低环境压力（高多样性）样点中存在的OTU中的一部分。只有4.6%（33/720）的OTU被用来构建共现网络，这些OTU是高环境压力地下样本所独有的。此外，正如作者对模块化和内聚性的分析所证明的那样，高环境压力下微生物群落的网络稳定性较低。微生物群落网络的模块性沿环境压力梯度下降（图3c），这表明高环境压力下的微生物群落比低环境压力下的微生物群落少。作者还发现，负相关的聚集性与正相关的聚集性的比率随环境压力的增加而降低（图3d），这表明在高环境压力下，OTU之间的正向联系而非负向联系占主导地位。
同样，总聚集性随着环境压力的增加而降低（图4a），表明在不同环境压力梯度下，微生物群落网络的复杂性大大降低。微生物网络复杂性降低可归因于正相关（图4b）和负相关（图4c）聚集性在整个环境压力梯度上减小；但是，与正相关相比，负相关的关系是降低整体聚集性的更大推动力。在最低环境压力和最高环境压力环境之间，负相关的聚集性下降了53%。
作者量化了整个环境压力梯度中原核生物分类群、真菌生物分类群和真菌功能群的变化，以了解哪些微生物类群受到了环境压力梯度的影响。总的来说，作者发现一些寡营养（即耐胁迫）的类群和与植物互惠共生类群的相对丰度随着环境压力胁迫梯度的增加而增加。与环境压力胁迫梯度呈正相关的寡营养微生物类群包括酸杆菌门和黄色单胞菌（图5a）；与环境压力胁迫正相关的植物互惠共生类群包括固氮根瘤菌（图5a）、外生菌根（图5b）和牛肝菌（图5b）和丛枝菌根。相反，植物病原体倾向于随着环境压力胁迫而减少。致病菌真菌煤炱目（Capnodiales）的相对丰度与环境压力梯度呈负相关（图5b）。与上面的物种分类学评估一致，作者发现使用FunGuild分配的植物病原菌在整个环境压力梯度上均下降，而外生菌根是与环境压力梯度最正相关的真菌类群。
在这项研究中，作者发现了外界环境压力破坏微生物群落网络的支持：与处于低环境压力的微生物群落相比，处于较高环境压力的栖息地中的微生物多样性较低，模块化程度较低，并且以正相关共现为主。作者还发现，与正相关聚集性相比，负相关聚集性沿环境压力胁迫梯度下降的幅度更大。为了确定在高环境压力下正相关性的增加是否表示至少部分是由于更积极的相互作用而不是更大的生态位重叠导致，作者比较了低环境压力和高环境压力之间共生群体的丰富度变化，发现这种分类群体的相互关系与压力梯度具有很强的正向关系，而致病真菌则具有很强的负相关关系。鉴于当负相关性较少出现时，微生物群落通常会经历更多的物种更新，并且通过去除对模块结构重要的OTU而降低网络模块性，作者结果表明，更大环境压力胁迫下的微生物群落具有较低的网络稳定性。并且作者讨论了环境压力可通过其破坏微生物网络稳定性的生态机制：（1）分类学和功能群体组成的变化如何导致高环境压力中正相关的增加，（2）在高环境压力中的正相关聚集性可以结合起来破坏微生物群落的稳定性。1 拮抗作用的减弱和环境过滤作用的增加，导致环境胁迫的负、正相关聚集性的比例降低在微生物组网络中，OTU之间的相关性可以通过两种非互斥机制来驱动：物种相互作用和环境过滤。在物种相互作用的情况下，OTU之间的互惠关系可能导致正相关出现，而竞争则可能导致负相关发生。在环境过滤的情况下，OTU之间的正相关反映了生态或功能上的相似性，而具有不同生态位要求的OTU则表现出负相关关系。虽然这两种生态机制都可以解释高环境压力环境中正相关聚集性的主导地位，但作者的数据更多的支持物种之间相互作用的观点。作者观察到，沿着环境压力梯度，病原菌的相对丰度下降，微生物互惠菌群的相对丰度随之上升，这与以前的研究一致，表明在环境压力胁迫下微生物之间的促进作用增强。环境压力梯度假说假设随着压力的增加，竞争性互动的频率降低，促进性互动的频率增加，这与沿着作者的研究结果一致。替代性的生态机制，即环境过滤，也可能导致高环境压力条件下负、正相关聚集性比例的降低。例如，高环境压力下外生菌根真菌的优势可能反映出，在干旱条件下，很少有生态位可用于真菌，并且在这些情况下，植物根系占可用植物生境的很大比例。但是，鉴于作者的数据支持环境压力梯度假说的生态机制，因此负、正相关聚集性比例的降低可能至少是其中一部分微生物对环境压力胁迫的响应，即使它并非完全独立于选择较高生态位重叠的非生物因素。2 低模块性和正相关关系影响受胁迫微生物群落的稳定性（1）与其他微生物群落相比，彼此相互作用更大的生物分类群，（2）与其他微生物群落相比，有着独特生态位的生物分类群。
在这两种情况下，模块化群落都通过确保一个模块内敏感OTU的丰度波动不太可能扩散到其他模块中的OTU，从而使这些模块免受干扰。高环境压力胁迫下的低模块性表明，OTU之间的跨模块关联可能比低环境压力胁迫下更为普遍。因此，一个模块中影响OTU的环境扰动传播到其他模块的可能性更大，因为在高环境压力的地点不同模块中的OTU之间存在较大的关联性（图6）。例如，在作者的研究中，外生菌根真菌、根瘤菌等微生物可以通过促进彼此共生的植物伙伴而相互支持，而伴随的低模块化则意味着主要的正反馈回路所遇到的任何扰动都更容易传播到其他微生物群落。模块之间的连通性增加可能是由于与植物互惠模块的相互作用增加，或者依赖于相同的环境因素。例如，植物根系作为微生物生态位的重要性可能会随着压力的增加而增加。作者所研究的系统是自然环境压力胁迫梯度的一个例子，环境压力与稳定的网络特性之间存在显著的相关关系。图6中与处于低环境压力胁迫下的微生物群落相比，处于高环境压力胁迫下的微生物群落具有较不稳定的网络属性。高环境压力胁迫下的微生物群落物种丰富度较低（a），模块性较低（b），并且负相关联系所占的主导地位较低。由于环境干扰而导致的OTU减少，可以更容易地传播到微生物群落的其他部分。正向关联（蓝色）是影响微生物群落中OTU关联的重要途径。
作者的研究首次提出自然存在的微生物群落在持续的压力下显示出微生物群落网络的不稳定性。微生物群落可以解释对植物分布重要性状的变化，并提供生态系统服务。了解微生物群落的稳定性如何受环境压力胁迫的影响，对建立物种分布模型、维持生态系统服务和改良农业具有重要意义。通过使用自然环境压力梯度表征微生物群落的网络结构，作者证明在高环境压力胁迫下，微生物群落模块性更低。 在更广泛的生态系统，包括其他陆地生境的微生物群落和水生生境的微生物群落。作者希望这项研究将提供一个路线图，以表征多种生态系统中的微生物组的网络结构，从而了解环境压力胁迫与微生物群落的稳定性之间的负相关关系是否是整个微生物群落的统一原则。作者还提倡将来的研究，阐明不稳定的微生物群落如何逐步影响农业等。
 你可能还喜欢
2020年度回顾 | 技术贴合辑
2020年度回顾 | 微生态人体微生物类微文大合辑
2020年微生态最值得看的环境类微文回顾
|
