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喜讯!天昊微生物测序项目文章登陆Cell子刊《Current Biology》



南京农业大学资源与环境科学学院近期在《Current Biology》上发表了蚯蚓协调土壤生物群改善多种生态系统功能的研究文章。在这项研究中天昊生物有幸承担微生物扩增子测序工作。在恭喜客户又发表高分文章的同时,我们想跟大家分享一下文章的研究思路。
英文题目Earthworms Coordinate Soil Biota to Improve Multiple Ecosystem Functions
中文题目蚯蚓协调土壤生物群改善多种生态系统功能
期刊名Current Biology
影响因子 9.193
研究概要
    自查尔斯达尔文时代以来,蚯蚓一直被认为是土壤工程师,但最近的几项综合研究表明,蚯蚓的活动与温室气体排放量增加、土壤生物多样性减少以及植物对害虫的防御能力低下有关。我们的研究为蚯蚓在生态多功能框架内对生态系统功能的多重直接和间接影响(综合衡量生态系统同时提供多种生态系统功能的能力)提供了新的实地证据。一项描述21种生态系统功能的13年田间试验数据显示,蚯蚓的存在通常通过间接而非直接的影响来增强多功能性。具体来说,蚯蚓通过将功能组成转移到有利于细菌能量通道的土壤群落,并加强土壤微生物和微型动物群落的生物组合,增强了多功能性。然而,蚯蚓介导的土壤物理结构、pH值和分类多样性的变化与土壤的多功能性无关。我们认为蚯蚓及其相关土壤生物群的协同作用是维持稻麦复合种植系统高水平多功能性的重要原因。管理作物残渣输入和减少土壤理化干扰应将促进有益的蚯蚓效应,并支持对可持续农业至关重要的多种生态系统服务。
研究背景
    农业土壤提供的生态系统服务,如粮食生产和养分循环过程,在世界人口不断增长和全球变化的情况下,越来越重要,这些服务不仅受到气候变化或土地利用转换等非生物因素的驱动,而且还受到大型生物的极大影响,土壤动物。蚯蚓是著名的“生态系统工程师”,被认为是维持土壤健康和农业生态系统中植物生产所必需的。一般认为它们对生态系统功能有积极或中性影响,如土壤物理结构和土壤有机碳储量。然而,最近的meta分析揭示了蚯蚓对一些生态系统功能的负面影响,包括增加温室气体排放(如CO 2和N2O),减少土壤生物多样性,降低植物对韧皮部害虫的抗性。这表明蚯蚓效应不能从单独研究生态系统过程中推断出来,因为每个过程都可能受到蚯蚓活动的积极影响、消极影响或不受影响。多功能框架可以解决这些矛盾报告,因为它可以提供多个生态系统过程(如植物生产力、分解过程和养分循环)上蚯蚓活动的多维、集成和同时评估。生态系统水平的多功能性可以用平均法(平均每个功能的标准值)和阈值法(计算通过阈值的功能数量)来量化,由于每种方法的优点和缺点,这两种方法一起使用。由于蚯蚓被认为是一种活跃的土壤生态系统工程师,因此蚯蚓的活动已经与多种过程联系在一起,因此蚯蚓有很大的潜力成为农业多功能的生物学指标。
    蚯蚓可能通过多种途径影响生态系统的多功能性。首先,蚯蚓能够通过食用植物根部,通过排泄物释放矿物质营养素和植物激素来支持作物生长,从而直接影响生态系统功能(图1A)。第二,蚯蚓的“生物扰动”活动可以通过浇铸和挖洞活动(图1B)改变土壤的非生物特性(如土壤水分、pH值和团聚体),从而改变土壤微生物群,从而间接影响多功能性(如养分循环和植物生产),例如微生物和微型动物(图1C)。第三,蚯蚓的“消化”活动可以通过蚯蚓砂囊诱导的破碎和肠道相关的过滤过程改变土壤微生物群,从而间接影响多功能性(图1D)。所有这些影响都可以同时发生,但在修改单一因素(如土壤pH值、土壤团聚体或生物群落)的研究中,这些影响始终是单独检查的。然而,要评估蚯蚓介导的变化在多功能环境中对土壤非生物和生物特性的重要性,必须理清它们的直接和间接影响的相对强度。
 

 
 
图1 蚯蚓对生态系统多功能性贡献途径的概念框架,(A)表明蚯蚓的直接影响和(B)-(D)是蚯蚓通过挖洞和浇铸活动介导的土壤非生物特性或通过研磨和过滤过程介导的生物群落的间接影响,所有这些效应在蚯蚓活动期间同时发生。

    由于对土壤生物群落的定义过于简单,因此难以量化生物途径的变化。迄今为止,多功能相关研究几乎总是将生态系统功能与物种或分类多样性联系在一起,并提供了显著的证据,证明随机生物多样性丧失导致操纵实验中多功能生态系统功能的下降。然而,与实验操纵的生物多样性丧失相比,分类多样性并不是生物系统影响生态系统功能和一般对干扰的非随机响应的唯一方面。事实上,与分类学多样性的作用相比,土壤群落向某些功能团(即功能组成)的转移对生态系统功能的影响更大,例如以前的研究表明,蚯蚓减少了微生物物种的多样性,但增加了细菌/真菌的比例,这可以将类似数量的营养和能量从植物转移到土壤食物网作为原始土壤微生物群落。利用的综合了多样性、群落组成和生态系统功能的相关网络分析可以评估复杂多样群落的分类群之间的关联性。这意味着,生物组合在多个营养群之间的变化可能是生态系统多功能性的一个被忽视但可供选择的预测因子。
    为了阐明蚯蚓对多功能性的直接和间接影响的相对强度,我们分析了土壤理化性质(团聚体稳定性和pH值)、土壤群落属性(分类多样性、功能组成和生物组合)和21种生态系统功能的数据。在稻麦轮作系统下进行了13年的田间试验,连续两年获得数据,在试验中采用了两种秸秆施用方法(秸秆覆盖在土壤表面或与土壤表层结合),并控制了主要内生蚯蚓Metaphire guillelmi的丰度(即对地块进行接种蚯蚓或移除蚯蚓)。列举了土壤微生物和微型动物,计算了它们的群落特征。将21种生态系统功能分为4类,反映了地上和地下生态过程:(1)植物生产力,(2)植物养分,(3)养分和碳循环过程,(4)养分和碳循环驱动因素。我们测试了蚯蚓的存在是否会通过直接作用(如对植物根系的啃食)或通过中和土壤pH值、促进土壤团聚体和调节群落属性间接增强多功能性。我们还测试了蚯蚓对多功能性的间接影响是否与群落属性有关,如分类多样性、生物组合,或与涉及细菌和真菌能量通道的土壤群落功能组成的变化有关。我们发现蚯蚓的存在通过将土壤群落的功能组成转移到细菌主导的群落,从而加强了土壤-食物网中的生物联系,从而增强了多功能性。有趣的是,蚯蚓介导的土壤物理结构、pH值和分类多样性的变化并没有改变多功能性。蚯蚓协调生物群落达到高水平的多功能性,揭示了蚯蚓种群对农业可持续发展的关键作用。
主要研究方法
实验设计:
    本研究在南京农业大学试验田站进行。本试验于2001年建立,夏播水稻,冬播小麦。四个处理被随机分配到12个地块中的三个区块(每个处理三个重复)。四个处理是:(i)秸秆覆盖在无蚯蚓的土壤表面(mulched);(ii)秸秆覆盖在有蚯蚓的土壤表面(mulched + earthworm);(iii)秸秆还田到无蚯蚓的土壤中(incorporated);(iv)秸秆还田到有蚯蚓的土壤中(incorporated + earthworm)。2014年和2015年,我们收集了小麦(5月)和水稻(10月)成熟期的土壤样本。在每个样地中,从0-20cm土层中随机采集8个土芯(直径2.5cm),并混合在一起,每个样地形成一个复合样本,共12个样地×(两个作物期)×(两年)=48个样地,在2小时内采集土芯,然后存放在4度。所有需要新鲜材料的分析均在取样后两周内完成,所有其他分析均在取样后两个月内完成。
微生物检测
    我们分别使用定量PCR(qPCR)测量微生物丰度(即细菌和真菌)和磷脂脂肪酸分析(PLFA)来测量微生物丰度(细菌、真菌、放线菌和丛枝菌根真菌)。采用Illumina MiSeq测序测定微生物群落中主要物种(即细菌、真菌、古细菌和原生生物)的相对丰度。使用Greengenes数据库(http://Greengenes.lbl.gov/)对细菌和古细菌进行分类,使用PR 2数据库对真菌和原生生物进行分类(http://ssu rrna.org)。
研究结果
蚯蚓的存在改变了生态系统的功能
    蚯蚓的存在增加了所有四个多功能性指数和超过一半的单一生态系统功能指数(21个生态系统功能中的52%;图2)。秸秆还田处理的多功能性指数显著高于秸秆覆盖处理,稻麦栽培期间差异不显著。在21种生态系统功能中,43%的生态系统功能不受蚯蚓的影响,包括作物产量、地上部生物量、根系生物量、地上部碳、根系碳、土壤有机碳、微生物活性、微生物生物量氮和微生物生物量磷(图2)。由于蚯蚓的存在,秸秆覆盖处理中只有N2O排放减少(图2)。
 

 
 
图2 蚯蚓的存在影响单一生态系统功能和多功能指数。所有变量在蚯蚓存在(straw mulched + earthworm秸秆覆盖+蚯蚓和straw incorporated + earthworm秸秆还田+蚯蚓)和蚯蚓不存在(straw mulched秸秆覆盖和straw incorporated秸秆还田)时(n=8;2年×2个作物阶段×2个秸秆应用)的变化。

蚯蚓的存在对土壤群落特征和非生物特性的影响
    蚯蚓改变了土壤群落组成,降低了土壤群落的均匀度(图3A和3B)。蚯蚓的存在略微减少了细菌、真菌、古细菌和线虫的分类群数量,并略微增加了原生生物分类群的数量。蚯蚓通过增加细菌/真菌比值和食细菌线虫/食真菌线虫比值,以及碳循环与氮循环中活性细菌比值改变了优先能量通过土壤食物网的途径,这些增量在秸秆还田处理中高于秸秆覆盖处理(p<0.05;LSD检验;图3C)。同时,蚯蚓加强了营养群之间的生物联系,如相关网络分析所示(图4)。此外,蚯蚓通过提高土壤团聚体稳定性改善了土壤物理结构(p=0.003;LSD检验),同时它们对土壤pH值没有影响(图3D)。
 

 
 
图3 蚯蚓的存在对土壤生物群落和非生物特性的影响。(A)土壤生物(细菌、真菌、线虫和原生生物)的丰度;(B)土壤生物群的主坐标分析(PcoA),均匀度指数以Pielou's index计算,数值越低,不均匀性越高;(C)土壤生物群功能组成。碳氮转化过程细菌比例是指在碳循环中活性细菌与氮循环中活性细菌的比例;(D)土壤非生物特性(团聚体能力和pH值)。
 
 

 
 
图4 蚯蚓存在与生物联系的网络可视化研究。线条宽度表示显著相关性的数量,而线条颜色和透明度表示相关性强度,如图例所示。左侧显示了无蚯蚓时秸秆覆盖(A)和秸秆还田(C)的生物组合,右图显示了有蚯蚓时秸秆覆盖(B)和秸秆还田(D)的生物组合。B.Nematode表示食细菌线虫;F.Nematode表示食真菌线虫;H.Nematode表示 食草线虫;O.Nematode 表示杂食性线虫;P.Nematode 表示捕食性线虫。

蚯蚓对生态系统多功能性的直接和间接影响
    分段结构方程模型显示,由功能组成(标准化系数=0.11-0.22)和生物组合(标准化系数=0.08-0.10)介导的间接效应促成了多功能性(图5)。这种影响远远大于蚯蚓的直接影响以及分类多样性和非生物因素的间接影响(图5)。生物组合强度随着功能组成的变化而增加(图5)。蚯蚓增加了团聚体稳定性,但这些物理性质与多功能性无关(图5)。
 

 
 
图5 描述蚯蚓对生态系统多功能性直接和间接影响的分段结构方程模型。在该模型中,蚯蚓对多功能性的直接影响是由一个从蚯蚓指向多功能性的单箭头表示的,而蚯蚓对多功能性的间接影响是由土壤群落属性(分类多样性,功能组成,以及生物组合)和土壤非生物特性(团聚体和pH值)介导的,我们将蚯蚓量化为:无蚯蚓处理(秸秆覆盖和秸秆还田)为0,有蚯蚓处理(秸秆覆盖+蚯蚓和秸秆还田+蚯蚓)为1。箭头的宽度与路径系数(标准化系数)的强度成正比,连续的绿色箭头和连续的红色箭头分别表示正相关和负相关系,而黑色虚线箭头表示无显著关系。来自模型(右图)的标准化总效应(直接效应和间接效应)表明了关系的效应大小。

    线性混合效应模型证实蚯蚓对多功能性的间接影响显著地由功能组成和生物组合介导,而分类多样性、团聚体稳定性和pH值对多功能性没有影响(表1)。功能组成参数中的几个预测因子,即细菌/真菌比值、食细菌/食真菌线虫比值以及碳循环与氮循环细菌比值,对多功能性有显著贡献(表1)。
 

 
 
表1 线性混合效应模型(LMM)结果显示蚯蚓对生态系统多功能性的间接影响,由土壤群落属性(分类多样性、功能组成和生物组合)和土壤非生物特性(团聚体稳定性和pH值)介导。

    功能组成和生物组合与多功能指数和许多生态功能,特别是与养分循环相关的驱动因素和过程,均呈正相关(图6)。
 

 
 
图6 生态系统功能和蚯蚓介导的预测因子之间的成对相关系数,包括土壤群落属性(分类多样性、功能组成和生物组合)和土壤非生物特性(团聚体稳定性和pH值)。标签颜色反映了它们的分类:黄色:植物生产力;蓝色:植物营养;绿色:营养和碳循环过程;红色:营养和碳循环驱动因素;黑色:多功能指数。
 



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