【原】科研 | Environ Microbiol：地理距离、土壤性质与树木共同影响欧洲南北样带土壤微生物组

编译：微科盟橙，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

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导读

与树木根相关的微生物受地理因素、土壤理化性质和树木的影响。但这些因素对较大空间尺度上土壤微生物组变化的影响的相关研究较少。作者选择橡树无性系DF159（Quercus robur L.）作为研究对象，在欧洲南北四个草地进行种植。四年后，首先比较了根区（RZ）和非根区（RFZ）土壤微生物的区系组成。随后对比了不同区域的整体微生物组，并比较了它们在横断面上的变异性。非根区微生物组内部的变化受地理和土壤因素的影响，细菌的响应比真菌更为强烈。根区微生物组内的变异主要取决于树木和非生物参数。根区微生物组受采样点和地理距离的影响大大降低，并且真菌比细菌更为明显。塑造根区微生物组可能作为一种机制，帮助橡树适应整个地理区域的各种环境条件。

论文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

译名：地理距离、土壤性质与树木共同影响欧洲南北样带土壤微生物组

期刊：Environmental Microbiology

IF：4.933

发表时间：2021.2

通讯作者：Jean de Dieu Habiyaremye

通讯作者单位：德国亥姆霍兹环境研究中心

实验设计

作者于2014年在不同的欧洲南北不同区域进行橡树种植，橡树是欧洲森林中的基础树种，具有广泛的地理分布。通过比较橡树根区（RZ）和非根区（RFZ）土壤来研究欧洲南北样带的细菌和真菌土壤群落的变化。橡树与土壤细菌和真菌建立了紧密的相互作用关系。微生物群落不仅直接受到植物的影响，还受到当地非生物条件的直接影响。因此调查研究三组土壤微生物组：（i）非根区（RFZ）微生物组，（ii）根区（RZ）微生物组和（iii）根区（RZ）核心微生物组。分别对细菌16S rRNA基因和真菌ITS2 rDNA进行了高通量扩增子测序，并分析了与地理因素、土壤理化性质和宿主树木参数。

结果

1 田间土壤理化性质和橡树植物参数

作者在田间地点观察到土壤理化参数的变异性。pH值从芬兰最北端的酸性土壤变为法国最南端的中性土壤。土壤硝酸盐和总氮含量南方要高于北方。对于测得的其他土壤参数，站点之间的变化不一。关于树木参数，在低纬度地区树木明显较高。例如，到2018年波尔多的树木比最北端的树高高出两倍多，树枝长出四倍多。此外，最北端的橡木比其他地方的树木具有更高的比叶面积（SLA），但叶片干物质含量（LDMC）较低，表明叶片寿命短且光合作用率低。然而，在2018年，法国东部的一些树木参数并未遵循纬度梯度的变化规律。树干、侧枝（LB）和叶片干物质含量（LDMC）的北部位点甚至较低（表1）。

 

表1：不同样点的地理位置、土壤理化性质和树木参数。

表注：Google地球提供地理坐标（纬度、经度和海拔）。MAT（月平均气温，2019年1月到2019年12月）以及气象数据时间范围为2019年1月至2019年12月。土壤样品的物理化学参数：pH、总碳（TC）、总氮（TN）、碳氮比（C / N）、冷水可提取碳（CWC）和冷水可提取氮（CWN）、CWC/CWN、热水可提取碳（HWC）和热水可提取氮（HWN）、HWC / HWN、土壤水分、铵态氮、硝态氮、总矿物氮（N_min）、植物可用钾（K_CAL）和磷（P_CAL）。LB代表前四个侧枝；SF1、SF2和SF3是指2018年植被期间的第一、第二和第三拍摄。LDMC是指叶片干物质含量和SLA是特定的叶面积。不同的上标字母表示显著的统计学差异（P <0.05）。

 

表2展示了土壤物理化学参数和树木生长参数的相关性分析的结果，表明土壤pH、含水率和总氮含量的差异与大多数的树木参数显著相关。相同的分析表明树木生长与地理相关参数的纬度和年平均降水量（MAP）显著相关。

 

表2：不同样点的地理位置、土壤理化性质和树木参数的斯皮尔曼相关性分析。

表注：LB代表前四个侧枝；SF1、SF2和SF3表示在2018年第一、第二和第三拍摄的数据。LDMC是指叶片干物质含量，SLA是特定叶面积。TC和TN分别代表总碳和氮，N_min表示总矿质氮。MAP表明2014年9月至2018年8月的平均年降水量。显著的相关性（P <0.05）以粗体突出显示。

2 沿欧洲样带的RZ和RFZ之间的微生物组变化

在所有样本中，共获得了3087776个高质量的16S rRNA基因序列，聚类为12638个细菌OTU。真菌共获得1112637 ITS2 rDNA序列，聚类为2867个真菌OTU。细菌菌群中以变形杆菌（25.8％），浮霉菌（16.7％）和放线菌（11.0％）为主，而真菌则以子囊菌（69.8％），担子菌（17.8％）为主。物种堆积图显示了不同样点之间物种组成的相对丰度变化情况（图1）。

 

图1 根区和非根区（RZ和RFZ）之间以及田间地点之间土壤细菌和真菌的分布。图中矩形内的字母表示是否显著差异。

 

为了确定土壤微生物不同生态位的核心OTU，作者挖掘了不同生态位的指示物种。209个土壤细菌OTU在RZ和RFZ之间具有显著的栖息地偏好，其中在RZ中发现70个OTU，而在RFZ中发现了139个OTU中。同样，共有40个土壤真菌OTU对任一区域具有显著优先性（P <0.05），其中10个OTU与RZ优先相关，而30个OTU与RFZ相关。根据站点之间土壤微生物共有OTU的分析，在RZ中发现四个站点之间共享OTU的比例最高（图2）。

 

图2 田间站点之间根区微生物OTU的共有分布情况。

 

根据非度量多维尺度（NMDS）和多元方差分析（perMANOVA），细菌和真菌的微生物群落结构在不同站点之间存在差异（图3）。此外，细菌群落的异质性还与树高增加的百分比相关，而真菌群落的异质性则与LDMC相关。

 

图3 非度量多维尺度（NMDS）揭示细菌和真菌的微生物群落结构。

 

3 地理因素、土壤理化性质和树木参数对沿欧洲样带的橡树土壤微生物群落的影响

Shannon多样性的分析（图4）显示了相似的模式，即RZ和RFZ随纬度的降低，细菌群落的多样性增加。Bordeaux的RFZ真菌多样性显著低于其他位点。对于RZ核心细菌和真菌微生物群，BadLauchstädt、Fontain和Bordeaux之间的Shannon多样性相似，Lapinjärvi的Shannon多样性最低。Spearman相关性结果表明土壤pH和总氮含量与RFZ的细菌和真菌多样性相关（表3）。对于RZ微生物群，真菌多样性与土壤理化参数均不相关，而细菌多样性指数与pH、水分和总氮相关。对于RZ核心微生物组，只有土壤pH和含水量与细菌和真菌的多样性相关。

 

图4 欧洲南北横断面的土壤微生物多样性指数。三个类别的微生物组：（1）非根区总微生物组，（2）根区微生物组（3）根区核心微生物组。每组中的不同字母表示显著差异；n.s.表示无显著差异。

 

表3：橡木非根区（RFZ）和根区（RFZ）土壤中的土壤物理化学和地理参数与微生物香农多样性之间的斯皮尔曼相关性分析。

表注：TC和TN分别代表总碳和氮，N_min表示总矿质氮。MAP表明2014年9月至2018年8月的平均年降水量。显著的相关性（P <0.05）以粗体突出显示。

 

如NMDS结果所示（图5），欧洲南北样带田间的微生物群落结构不同。值得注意的是，对于细菌和真菌而言，地理位置效应的大小从RFZ总微生物群到RZ核心微生物群都下降了。图5还显示了地理因素（纬度、MAT和MAP），土壤理化参数（pH、含水率、TC和TN）以及橡树参数（树高、比叶面积和叶片干物质含量）极大影响了欧洲样带微生物群落的结构。

 

图5 基于Bray距离的非度量多维尺度图（NMDS）显示了田间地点之间细菌和真菌的群落结构。P值和R2是perMANOVA的结果。TC（总碳）、TN（总氮）、MAT（2014年9月至2018年8月的月平均温度），MAP（2014年9月至2018年8月的平均年降水量），LB（侧枝-前四个分支），LDMC（侧枝第一个枝条的叶干物质含量），TH（主树干高度）和TH incr（总高度增加）。

 

通过Mantel相关性测试来评估地理距离的影响，发现这三个因素之间存在正相关性（图6），表明更远的地方存在更多独特的微生物群落。对于细菌群落，在RZ和RFZ总微生物组中观察到了相似的相关性，而在RZ核心微生物组中观察到了较低的相关性。对于真菌而言，RFZ总微生物组的观察到的相关性最高，其次是RZ总微生物组和RZ核心微生物组。

 

图6 土壤细菌和真菌群落Bray-Curtis差异与地理距离的相关性。在非根区域、根区和根区核心微生物组之间进行交叉比较。

 

4 地理因素、土壤理化性质和树木参数对沿土壤微生物群落的不同影响

在不考虑相互作用的情况下，土壤理化性质、树木和地理因素分别解释了RZ细菌微生物组的变化的3.7％、2.8％和1.6％（图7A）。这些参数均未对RZ真菌微生物组产生独立的影响。当与其他可变性来源的相互作用产生的单一和综合影响综合分析时，发现RZ总微生物群为：地理分布（细菌68.6％，真菌51.9％）；土壤理化性质（细菌66.5％，真菌44.6％）；橡树参数（细菌60.7％，真菌38.4％）。总体而言，测试参数可以分别解释RZ的总细菌和真菌群落变异的75.1％和55.5％（图7A）。对于RZ核心微生物组，没有观察到细菌变异性测试来源的单一影响，而对于真菌，仅树木参数解释了32.3％，通过土壤理化和地理参数单独解释了14.8％。对于RZ核心细菌群落，地理参数仍然是群落变异性的主要驱动因素（49.8％），其次是土壤理化参数（40.2％）和树木参数（34.7％）。对于RZ核心真菌，树木参数解释了最大的变化量（58.1％），其次是地理和土壤物理化学参数。总体而言，通过测试参数可以解释RZ核心细菌和真菌群落中56.1％和90.8％的变异（图7B）。

 

图7 地理因素、土壤理化性质和树木参数对土壤细菌和真菌群落变化的影响；A）根区总微生物组；B）根区核心微生物组；每个圆圈代表每个类别所占的变化比例。

 

讨论

当前的研究揭示了在欧洲南北横断面的四个位置，橡树RZ和RFZ中不同的土壤微生物群落结构。由于RZ和RFZ的微生物区系由于邻近而部分重叠，因此，通过考虑RZ核心微生物区系，将树的各个影响因素与非生物环境参数之间的比较进行了细化。将这些RZ核心微生物群定义为与RFZ相比在RZ中显著富集的土壤细菌和真菌的亚群落。当考虑到RZ和RFZ的总微生物组时，观察到沿样带的细菌和真菌Shannon多样性之间存在不同的位点特定模式，而放大到RZ核心细菌和真菌微生物群时，这些模式高度相似。RZ核心微生物组受非生物环境的影响降低。

1 橡树的生长与欧洲南北样带的位点特异性的关系及其对与根相关的微生物组的影响

欧洲南北断面的跨采样点在气候和土壤物理化学上有所不同，这对橡树的生长产生了影响。如前所述，较低纬度的气候变暖加速了有机物的分解，从而增加了树木的养分利用率，而较高纬度的较冷地区的土壤往往积聚了未分解的有机物。此外，在接近中性土壤的pH值（6.5-7.5）下树木生长更好，因为在该pH值范围内可获得矿物质养分。土壤pH值对土壤养分有效性的直接影响土壤微生物。因此，在低纬度地区（如波尔多）观察到的树木生长良好，而在高纬度地区Lapinjärvi的树木生长较小，这与它们各自的气候条件和土壤pH值相符。

树木生物量的增加意味着根系分泌物的增加，这强烈影响与根系相关的微生物群落。因此，预计沿欧洲样带观察到的橡树生长变化会影响所研究地点之间RZ的微生物群落。

 

2 橡树RZ与RFZ的微生物群落组成以及树木对土壤微生物群落结构的影响

即使在RFZ树中也检测到RZ的大部分土壤细菌和真菌类群，但某些属和OTU的检测频率显示它们偏爱特定区域。在RZ中富集的一些特殊分类群是腐生细菌和真菌以及共生真菌。鉴定出的RZ核心细菌包括硝化螺菌属的成员，该属包括土壤中的重要硝化剂，以及杆菌可以降解复杂的多糖并潜在地促进其宿主植物的生长。对于RZ核心真菌，检测到了外生菌根真菌、硬皮菌和腐霉菌。与草本植物相比，树木释放出更多的渗出液，因此RZ中微生物功能群落的富集与它们对根茎植物作为主要来源的高度依赖碳和养分含量。

NMDS分析了特定田地中树木RZ和RFZ之间的微生物群落结构，这也证明了树木对土壤微生物群落的影响。在Lapinjärvi注意到细菌和真菌群落的两个区域之间缺乏分隔，这可能是由于该样带最北端的树木性能下降，生长缓慢和LDMC低所致。由于LDMC可以作为光合作用的替代物，因此低值通常表明根状茎沉积减少。这与该站点原本的良好表现形成了鲜明对比。

3 非生物环境参数的相对贡献

在当前的研究中，观察到地理和土壤理化参数的单一或共同对土壤微生物多样性和群落结构的影响。这些非生物环境参数的变化导致沿样带的位点特异性，并且通常对土壤细菌的影响要大于对真菌的影响。这种对土壤细菌多样性和群落结构的强烈立地效应似乎主要与细菌对土壤pH和气候参数的高度依赖性有关。真菌的群落结构也受到土壤pH值的影响。此外，由于欧洲北南样带沿土壤pH和气候条件的差异不断增加，这些地点之间的地理距离越大，微生物群落越相似。细菌和真菌之间的地理距离与微生物群落之间的差异之间的显著正相关，也称为距离衰减。研究中揭示了细菌和真菌群落之间的不同空间格局，这表明了塑造这两个微生物组的独特机制。

土壤总碳、总氮和含水率也是决定该样带微生物群落结构的重要参数。这些发现与研究揭示了局部和全球尺度上土壤有机质和水分含量对土壤微生物群落的影响相一致。当土壤微生物以有机基质为食时，土壤微生物群落结构取决于土壤中可用有机基质的数量和类型。此外，土壤有机底物来自与气候相关的植物初级生产。气候参数对土壤微生物的影响要大于土壤理化参数。

4 橡木植酸计的相对贡献

与RZ和RFZ总微生物组相比，RZ核心微生物组受位点特异性和地理距离的影响要小得多。这主要与RZ核心微生物组与宿主的紧密连接有关。研究结果表明，这种宿主稳定作用对真菌比对细菌更重要。反过来，这可能是由于真菌对宿主植物的依赖性更高。细菌，通常受非生物环境参数的影响更大。

对野外场所树RZ上的细菌和真菌OTU进行的重叠分析显示，有一个微生物组，可将其视为橡树克隆DF159的“核心微生物组”。核心微生物组是指RZ中富集的细菌和真菌OTU，因为它们对宿主树具有亲和力，并且由于其能够应对横断面变化的环境条件，因此在所有地点都是普遍存在。由于核心植物微生物组包含重要的微生物类群，可支持植物适应性，因此可以假定橡树核心微生物组可帮助树木沿着样带建立。该核心微生物组与特定地点的微生物的相互作用，促进了树木对单个地点的适应性。

评论

该研究证明了与树木根部相关的土壤微生物组对地理因素、土壤物理化学性质和宿主树木参数之间的相互作用有响应，并研究了细菌和真菌之间变化情况，当放大在根部附近富集的微生物组时，宿主树的影响会增强。实际上，非生物和宿主树木之间通过高度复杂的相互作用影响土壤微生物群落，树木参数对气候或土壤条件的高度依赖，而后者也受到宿主树木的反向影响。尽管样点之间的空间距离很大，但RZ核心OTU在所有地点都普遍存在。为了充分了解树木在田间条件下对其根系相关微生物的影响，需要在其他土地利用系统下进行类似的研究。

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