局域尺度麥田土壤微生物群落構(gòu)建過程及其驅(qū)動因素①

陳鮮妮，米 倩，徐曉峰

局域尺度麥田土壤微生物群落構(gòu)建過程及其驅(qū)動因素①

陳鮮妮，米 倩，徐曉峰*

(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南洛陽 471000)

為探究局域尺度麥田土壤微生物群落構(gòu)建過程，本研究采集河南省濟(jì)源市小麥種植戶麥田土壤，應(yīng)用高通量測序技術(shù)，研究局域尺度下麥田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、群落構(gòu)建過程及其影響因素。結(jié)果表明：①土壤細(xì)菌群落中優(yōu)勢菌門是酸桿菌門(Acidobacteria)和變形菌門(Proteobacteria)。通過曼特爾檢驗(yàn)以及冗余分析發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)和全氮對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響顯著(<0.05)。②細(xì)菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中不同細(xì)菌類群之間以合作關(guān)系為主，關(guān)鍵物種來自擬桿菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門和變形菌門。③細(xì)菌群落在系統(tǒng)發(fā)育上聚類，有機(jī)質(zhì)和有效磷對細(xì)菌群落系統(tǒng)發(fā)育影響顯著(<0.05)。④確定性過程和隨機(jī)性過程在細(xì)菌群落構(gòu)建中的貢獻(xiàn)率分別為74.59% 和25.41%。⑤曼特爾檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最近物種指數(shù)(βNTI)值與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量變化呈顯著正相關(guān)(<0.05)。有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量差異的增大導(dǎo)致細(xì)菌群落從同質(zhì)性選擇以及均質(zhì)擴(kuò)散向異質(zhì)性選擇過程的轉(zhuǎn)變。綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)確定性過程在局域尺度麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建中占主導(dǎo)地位，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷是影響細(xì)菌群落構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)境因素。有機(jī)質(zhì)和全氮還對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有顯著影響。本研究有利于對局域尺度下麥田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物多樣性形成機(jī)制的認(rèn)識。

小麥；土壤細(xì)菌；群落構(gòu)建過程；群落結(jié)構(gòu)；影響因素

土壤微生物在促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、維持土壤生態(tài)系統(tǒng)功能方面發(fā)揮著重要作用[1]。群落構(gòu)建研究對解釋微生物多樣性的形成和維持機(jī)制十分重要，是生態(tài)學(xué)研究的重要議題[2]。群落構(gòu)建存在兩個生態(tài)過程：確定性過程和隨機(jī)性過程[3]。確定性過程涉及生物因素和非生物因素，如物種特征、種間關(guān)系(競爭、捕食、互利共生等)以及環(huán)境因素(pH、溫度和水分等)[4-5]；相反，隨機(jī)性過程涉及物種隨機(jī)的出生、死亡、定殖和擴(kuò)散事件[6]。目前普遍認(rèn)為在群落構(gòu)建過程中確定性過程和隨機(jī)性過程共同發(fā)揮作用[7]，但是，由于研究尺度、生境以及物種差異[8]，確定性過程和隨機(jī)性過程對微生物群落構(gòu)建的相對重要性仍存在爭議[9]。

目前學(xué)者們對微生物群落構(gòu)建的研究涉及森林、草原、湖泊、濕地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)[10-14]，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為典型的人類管理的生態(tài)系統(tǒng)，對保障全球糧食安全起著重要作用[15]。研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落構(gòu)建過程，有助于明確土壤微生物對人為干擾響應(yīng)的生態(tài)機(jī)制，維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。小麥作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要成員，是全球重要的糧食作物，小麥產(chǎn)量提高對滿足日益增長的糧食需求至關(guān)重要[16]。細(xì)菌作為土壤中最豐富的微生物類群，對土壤結(jié)構(gòu)形成、營養(yǎng)元素循環(huán)(有機(jī)質(zhì)分解、固氮)、作物生長等十分重要[17]，因此本文主要探索麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建過程。目前已有學(xué)者對麥田生態(tài)系統(tǒng)土壤細(xì)菌群落構(gòu)建進(jìn)行了相關(guān)研究，Shi等[14]發(fā)現(xiàn)空間距離在150 ～ 900 km范圍內(nèi)華北平原麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建由隨機(jī)性過程主導(dǎo)，大于900 km由確定性過程主導(dǎo)，細(xì)菌群落受到地理距離和環(huán)境因素的影響；Fan等[18]研究表明確定性過程控制大尺度空間范圍內(nèi)華北平原小麥根際與非根際土壤細(xì)菌群落構(gòu)建；Liu等[19]發(fā)現(xiàn)連續(xù)8 a施用氮肥小麥根際細(xì)菌群落構(gòu)建傾向于由確定性過程主導(dǎo)?？臻g尺度是影響群落構(gòu)建的主要因素之一[20]，以往研究大多集中在大空間尺度麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建過程或者在局域尺度采用田間實(shí)驗(yàn)探究麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建過程[14, 18-19]。我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠農(nóng)民，目前對局域尺度農(nóng)戶麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建過程的研究較少。由于在大空間尺度下氣候條件、環(huán)境因素、地理距離等因素都會對細(xì)菌群落產(chǎn)生影響[21]，而在局域尺度下細(xì)菌群落變化主要受環(huán)境因素的影響[22]，已有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)、pH等是驅(qū)動土壤細(xì)菌群落構(gòu)建的關(guān)鍵因子[9, 23]。研究局域尺度農(nóng)戶麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建過程及其環(huán)境驅(qū)動因素更有利于服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且有助于對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落構(gòu)建機(jī)制的理解。

河南省是中國重要的小麥種植地區(qū)，本研究選取河南省濟(jì)源市小麥種植戶麥田土壤為研究對象，利用高通量測序技術(shù)，探討局域尺度下麥田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和群落構(gòu)建過程，以及它們的影響因素，以期為闡釋局域尺度下麥田土壤微生物多樣性的形成機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和樣品采集

土壤樣品于2021年4月在河南省濟(jì)源市五龍口鎮(zhèn)(112°42'26.97"E，35°09'56.03"N)和梨林鎮(zhèn)(113°14'54.77"E，35°13'15.47"N)采集。該地屬暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.5 ℃，年平均降水量567.9 mm，土壤類型按地理發(fā)生分類為褐土。本研究取樣工作在征得小麥種植戶同意下進(jìn)行，于小麥揚(yáng)花期進(jìn)行取樣。揚(yáng)花期是決定冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵時期，小麥植株新陳代謝旺盛，土壤微生物活躍，土壤酶活性高。因此于揚(yáng)花期在每個田塊隨機(jī)選取3個樣方，采集0 ～ 20 cm非根際土壤樣品。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室去除植物根、石子等雜質(zhì)后，將3個樣方土壤樣品混合均勻后作為該田塊土壤分析樣本，保存于–20 ℃冰箱備用。表1為各田塊樣點(diǎn)位置信息，共20個樣點(diǎn)，樣點(diǎn)之間地理距離在124 ～ 9 282 m。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

土壤全氮(TN)采用硫酸銅催化劑–濃H2SO4消煮，全磷(TP)采用H2SO4-HClO4消煮，銨態(tài)氮(NH4+-N)采用2 mol/L的KCl提取，消煮和提取液采用流動分析儀(AA3，SEAL)測定全氮、全磷和NH4+-N含量；有機(jī)質(zhì)(SOM)含量采用重鉻酸鉀–外加熱法測定；硝態(tài)氮(NO3–-N)含量采用0.01 mol/L的CaCl2提取，紫外可見分光光度計(jì)測定；有效磷(AP)含量采用0.5 mol/L的NaHCO3提取，鉬藍(lán)比色法測定；速效鉀(AK)含量采用1 mol/L的NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)法測定；土壤pH采用土水質(zhì)量比1︰2.5浸提，pH計(jì)測定。將土壤樣品在105 ℃下烘至恒重后通過稱量烘干前后樣品重量差計(jì)算土壤含水率(MC)。電導(dǎo)率(EC)采用0.01 mol/L的KCl浸提，電導(dǎo)率儀測定。土壤理化性質(zhì)測定結(jié)果見表2。

1.3 DNA提取和測序

使用磁珠法對土壤樣品基因組DNA進(jìn)行提取，并將提取好的DNA于適當(dāng)條件保存。利用引物擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因V3 ～ V4區(qū)，引物序列為338F (5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3')和806R (5'-GG ACTACHVGGGTWTCTAAT-3')。PCR擴(kuò)增反應(yīng)體系為KOD FX Neo Buffer 5 μL，2 mmol/L dNTPs 2 μL，正向引物(10 μmol/L) 0.3 μL，反向引物(10 μmol/L) 0.3 μL，KOD FX Neo 0.2 μL，基因組DNA 5 ～ 50 ng，補(bǔ)ddH2O至10 μL。反應(yīng)體系如下，95℃預(yù)變性5 min、95℃變性30 s、50℃退火30 s、72℃延伸40 s，25個循環(huán)后，72℃延伸7 min，4℃直到反應(yīng)完成。獲得PCR產(chǎn)物后，使用Monarch DNA凝膠回收試劑盒切膠純化，用1.8% 瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物純化效果。純化后的PCR產(chǎn)物使用Illumina NovaSeq 6000進(jìn)行測序分析，該測序平臺由北京百邁客生物科技有限公司提供。

1.4 微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、群落構(gòu)建分析

微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：剔除OTU豐度低于0.1% 的低豐度類群，用R軟件cor.test函數(shù)計(jì)算OTU之間的Spearman相關(guān)系數(shù)，Spearman相關(guān)系數(shù)和值閾值分別設(shè)定為0.7和0.05。采用中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心開發(fā)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在線分析平臺iNAP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析(http://mem.rcees.ac.cn:8081)，通過Gephi軟件構(gòu)建關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點(diǎn)代表一個OTU，各節(jié)點(diǎn)間的連接線代表各OTU之間的相關(guān)性。通過計(jì)算生態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的模塊內(nèi)連通度()和模塊間連通度()，識別關(guān)鍵物種。將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分為模塊中心點(diǎn)(>2.5且<0.62)、連接節(jié)點(diǎn)(<2.5且>0.62)、網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)(>2.5且>0.62)以及外圍節(jié)點(diǎn)(<2.5且<0.62)[24]。

表2 各樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)

微生物群落建構(gòu)過程：使用R軟件“picante”包進(jìn)行MNTD分析計(jì)算最近分類單元距離(MNTD)、最近分類單元指數(shù)(NTI)、平均最近物種距離(βMNTD)和最近物種指數(shù)(βNTI)。單個樣本群落的系統(tǒng)發(fā)育用NTI來量化，NTI為零模型中觀察到的MNTD與零分布均值的標(biāo)準(zhǔn)差(999個隨機(jī))。在所有的群落中獲得的平均NTI與零值有顯著差異，表示群落系統(tǒng)發(fā)育存在平均聚類(NTI>0)或過度分散(NTI<0)[25]。通過βMNTD和βNTI量化樣品間的群落系統(tǒng)發(fā)育。βNTI是βMNTD的觀測值和基于零模型計(jì)算的隨機(jī)值(999個隨機(jī))之間的差。當(dāng)βNTI<–2和βNTI>2時，分別表示群落構(gòu)建受確定性過程的同質(zhì)性選擇過程和異質(zhì)性選擇過程控制；而|βNTI|<2表示群落構(gòu)建受隨機(jī)性過程控制[26]。用Raup-Crick矩陣(RCbray)區(qū)分不同隨機(jī)性過程的相對貢獻(xiàn)。RCbray<–0.95、|RCbray|<0.95以及RCbray>0.95分別表示均質(zhì)擴(kuò)散、生態(tài)漂變和擴(kuò)散限制[3]。然后根據(jù)樣品間的βNTI和RCbray值計(jì)算每個生態(tài)過程在所有樣品群落構(gòu)建中所占百分比。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

使用R軟件“vegan”包中的vegdist函數(shù)計(jì)算不同樣點(diǎn)細(xì)菌群落之間Bray-Curtis距離；使用pcoa函數(shù)基于Bray-Curtis距離對細(xì)菌群落進(jìn)行主坐標(biāo)分析(Principal Coordinate Analysis，PCoA)，揭示樣點(diǎn)間土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異；使用rda函數(shù)對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)；使用mantel函數(shù)進(jìn)行曼特爾檢驗(yàn)(Mantel test)，計(jì)算群落相似性距離矩陣(Bray-Curtis distance)和環(huán)境變量距離矩陣之間的相關(guān)性。同時使用mantel函數(shù)進(jìn)行地理距離(通過地理坐標(biāo)計(jì)算)和樣點(diǎn)之間的細(xì)菌群落相似性(Bray-Curtis距離)衰減曲線計(jì)算[27]，明確群落相似性隨地理距離的變化規(guī)律。使用R軟件cor函數(shù)計(jì)算NTI值以及|βNTI|值與環(huán)境因子的相關(guān)性。使用mantel函數(shù)計(jì)算βNTI值與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果

2.1 土壤細(xì)菌群落組成

圖1A結(jié)果表明，酸桿菌門(Acidobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、Rokubacteria、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)和浮霉菌門(Planctomycetes)為土壤細(xì)菌群落的主要菌門，其中酸桿菌門和變形菌門為第一、第二優(yōu)勢門，相對豐度分別達(dá)到21.89% ～ 43.82%、24.12% ～ 34.91%。通過主坐標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)各樣點(diǎn)間土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在差異(圖1B)。

圖1 土壤細(xì)菌門水平相對豐度(A)及主坐標(biāo)分析(B)

2.2 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響因素

圖2冗余分析結(jié)果顯示，第一軸(RDA1)和第二軸(RDA2)分別解釋了土壤細(xì)菌群落總變異的36.45% 和18.03%，兩者共解釋了總變異的54.48%，其中有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、含水率、pH對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有極顯著影響(<0.01)。另外，曼特爾檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(表3)，細(xì)菌群落相似性(Bray-Curtis距離)與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷含量呈顯著正相關(guān)(<0.05)。綜合冗余分析以及曼特爾檢驗(yàn)結(jié)果，表明有機(jī)質(zhì)、全氮含量是影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，其中有機(jī)質(zhì)含量的影響最大。

(**、***分別表示P<0.01和P<0.001顯著水平)

表3 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的曼特爾檢驗(yàn)

2.3 土壤細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征

基于16S rRNA基因分類單元(OTUs)構(gòu)建分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，如圖3A所示，本研究土壤細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)包含176個節(jié)點(diǎn)和615條邊，其中正向關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有458條(74.47%)，負(fù)向關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有157條(25.53%)，表明整體上不同細(xì)菌類群之間共存作用大于排斥作用[28]。共線性網(wǎng)絡(luò)中存在5個模塊，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)為：平均度9.38，平均路徑長度2.57，網(wǎng)絡(luò)直徑6，平均聚類系數(shù)0.46，模塊化指數(shù)0.39。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫再|(zhì)分析結(jié)果表明(圖3B)，在整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中沒有網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)；具有1個模塊中心點(diǎn)，來自擬桿菌門(Bacteroidetes)；兩個連接節(jié)點(diǎn)，來自酸桿菌門和變形菌門。

2.4 細(xì)菌群落構(gòu)建過程及驅(qū)動因素

系統(tǒng)發(fā)育可通過共存物種之間的進(jìn)化關(guān)系來探索群落構(gòu)建機(jī)制[29]。本研究發(fā)現(xiàn)所有樣點(diǎn)的細(xì)菌群落平均NTI與零值都存在顯著差異(<0.05)，且平均NTI都大于0，表明各樣點(diǎn)內(nèi)細(xì)菌群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)聚集[25]。通過對NTI值與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析(圖4A和4B)，發(fā)現(xiàn)NTI值與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(<0.05)，與有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)，說明土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷含量影響細(xì)菌群落系統(tǒng)發(fā)育。通過計(jì)算樣點(diǎn)之間細(xì)菌群落的βNTI值(圖5A)，發(fā)現(xiàn)|βNTI|大多大于2，說明確定性過程在局域尺度農(nóng)戶麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建中占主導(dǎo)地位，確定性過程和隨機(jī)性過程在群落構(gòu)建中的貢獻(xiàn)率分別為74.59% 和25.41%。具體到單一生態(tài)過程，確定性過程中同質(zhì)性選擇和異質(zhì)性選擇分別貢獻(xiàn)了36.47% 和38.12%，隨機(jī)性過程中均質(zhì)擴(kuò)散和生態(tài)漂變分別貢獻(xiàn)了24.86% 和0.55%(圖5B)。

(只有Spearman相關(guān)系數(shù)r>0.7、P<0.05或r

圖4 NTI、|βNTI|與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

圖5 土壤細(xì)菌群落構(gòu)建過程(A)以及各過程貢獻(xiàn)率(B)

圖4C表明，|βNTI|與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)，說明土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，細(xì)菌群落構(gòu)建越趨向于隨機(jī)性過程。圖6發(fā)現(xiàn)βNTI值與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量變化呈顯著正相關(guān)(<0.05)，其中有機(jī)質(zhì)含量和βNTI的相關(guān)性最強(qiáng)。有機(jī)質(zhì)、全氮含量差異的增大導(dǎo)致細(xì)菌群落從同質(zhì)性選擇向隨機(jī)性過程(均質(zhì)擴(kuò)散主導(dǎo))再向異質(zhì)性選擇過程的轉(zhuǎn)變(βNTI值變化趨勢為：<–2到–2 ～ 2到>2)。全磷含量差異的增大導(dǎo)致了細(xì)菌群落從隨機(jī)性過程(均質(zhì)擴(kuò)散主導(dǎo))到異質(zhì)性選擇過程的轉(zhuǎn)變(βNTI值變化趨勢為：–2 ～ 2到>2)。

3 討論

3.1 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及其影響因素

本研究發(fā)現(xiàn)酸桿菌門和變形菌門在土壤細(xì)菌群落中占主導(dǎo)地位，與陳重軍等[30]研究結(jié)果一致。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受到與微生物生長有關(guān)的土壤養(yǎng)分的影響[31]，本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)、全氮含量是影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重要因素，與Tian等[10]和劉文靜等[32]研究結(jié)果類似。由于大多數(shù)土壤細(xì)菌依靠有機(jī)物質(zhì)分解獲取營養(yǎng)和能量[10]，在適當(dāng)?shù)奶嫉瘜W(xué)計(jì)量比下快速生長繁殖[33]，因此土壤碳和氮對細(xì)菌群落形成十分重要[34]。此外，地理距離對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也存在影響，即存在距離衰減模式(微生物群落相似性隨著地理距離的增加而減小)[35]。Zhao等[36]發(fā)現(xiàn)水稻土壤真菌群落在3.4 ～ 39 km內(nèi)具有顯著的距離衰減分布格局。Gao等[37]研究表明長江流域稻田土壤細(xì)菌群落在局部尺度上(1 ～ 113 m)存在顯著的距離衰減關(guān)系，在中尺度上(3.4 ～ 39 km)不顯著。本研究觀察到樣點(diǎn)之間細(xì)菌群落不存在顯著的距離衰減關(guān)系(圖7)，可能是由于旱地生態(tài)系統(tǒng)頻繁的施肥、翻耕等導(dǎo)致麥田土壤環(huán)境相對均勻；而且由于各樣點(diǎn)地理距離較近，農(nóng)戶的管理措施等整體上差異不大，也可能造成土壤環(huán)境相對均勻，進(jìn)而減弱距離衰減效應(yīng)。

圖6 βNTI值與有機(jī)質(zhì)(A)、全氮(B)、全磷(C)含量變化的關(guān)系

圖7 細(xì)菌群落的距離衰減分布格局

3.2 細(xì)菌共生網(wǎng)絡(luò)

分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以解釋細(xì)菌群落之間復(fù)雜的相互作用。本研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中不同細(xì)菌類群之間的共存作用大于排斥作用，可能是由于資源豐富，細(xì)菌群落之間競爭較少，導(dǎo)致細(xì)菌群落之間具有較高的協(xié)同性[29]。關(guān)鍵物種是微生物群落中高度連接的類群，它們的消失會引起微生物群落組成和功能發(fā)生劇烈變化[38]，而且關(guān)鍵物種也是群落結(jié)構(gòu)的重要驅(qū)動因素[39]。本研究通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浞治霭l(fā)現(xiàn)關(guān)鍵物種來源于擬桿菌門、酸桿菌門和變形菌門，它們可能在維持細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能方面發(fā)揮重要作用。擬桿菌門可降解高分子有機(jī)化合物，如蛋白質(zhì)和碳水化合物[40]；酸桿菌門可以降解多糖，具有光合能力[41]，在土壤碳循環(huán)和鐵循環(huán)中發(fā)揮重要作用[42]；變形菌門可以分解有機(jī)物質(zhì)，促進(jìn)土壤碳、氮循環(huán)[43]。這些證明本研究發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵物種可能與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)等密切相關(guān)。

3.3 麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建

本研究通過零模型發(fā)現(xiàn)確定性過程在局域尺度麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建中占主導(dǎo)作用。Green等[44]研究表明，環(huán)境選擇是小空間尺度(1 ～ 10 km)微生物地理分布格局的重要驅(qū)動因素。劉文靜等[32]發(fā)現(xiàn)旱作生態(tài)系統(tǒng)中(果樹種植)確定性過程主導(dǎo)土壤細(xì)菌群落構(gòu)建；Feng等[45]發(fā)現(xiàn)確定性過程驅(qū)動連續(xù)施肥20 a的玉米田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建，這些研究都證明了確定性過程在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)細(xì)菌群落構(gòu)建中的重要性。由于在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，頻繁的人為干擾(如施肥、灌溉等)使土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化[45]，環(huán)境過濾作用選擇譜系關(guān)系很近或者功能性狀相似的物種共存，導(dǎo)致物種系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)聚集[46]，這些在一定程度上解釋了確定性過程對農(nóng)田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建的主導(dǎo)作用。但是，F(xiàn)eng等[47]發(fā)現(xiàn)局域尺度下(10 km內(nèi))均質(zhì)擴(kuò)散在東北玉米田細(xì)菌群落構(gòu)建中占主導(dǎo)地位，可能是由于東北地區(qū)人均耕地面積大[48]，較近樣點(diǎn)的土壤環(huán)境相似性高，土壤微生物擴(kuò)散速率高，導(dǎo)致均質(zhì)擴(kuò)散過程控制細(xì)菌群落構(gòu)建。此外，本研究中異質(zhì)性選擇(38.12%)、同質(zhì)性選擇(36.46%)和均質(zhì)擴(kuò)散(24.86%)都對群落構(gòu)建具有較高的貢獻(xiàn)。劉文靜等[32]的旱作生態(tài)系統(tǒng)土壤樣品采集于同一片果園，土壤環(huán)境具有同質(zhì)性，同質(zhì)性選擇主導(dǎo)群落構(gòu)建；Feng等[45]田間試驗(yàn)的各個處理內(nèi)由于施肥方式相同導(dǎo)致土壤環(huán)境同質(zhì)，同質(zhì)性選擇控制群落構(gòu)建。本研究采集的樣品來自農(nóng)戶農(nóng)田土壤，各個農(nóng)戶的田間管理措施存在差異，差異程度的大小可能影響土壤環(huán)境的差異進(jìn)而影響群落構(gòu)建。管理措施差異較大可能導(dǎo)致土壤環(huán)境差異大進(jìn)而群落構(gòu)建受異質(zhì)性選擇控制；差異較小可能導(dǎo)致土壤環(huán)境相似，同質(zhì)性選擇和均質(zhì)擴(kuò)散過程控制群落構(gòu)建。另外，確定性過程和隨機(jī)性過程在麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建中共同發(fā)揮作用。確定性過程可以強(qiáng)化土壤微生物的特定功能，隨機(jī)性過程可以使微生物對于環(huán)境劇烈變化帶來的擾動有一定緩沖作用[32]。

3.4 土壤細(xì)菌群落構(gòu)建關(guān)鍵驅(qū)動因子

本研究發(fā)現(xiàn)NTI值與有機(jī)質(zhì)、有效磷含量呈顯著相關(guān)，表明環(huán)境過濾影響細(xì)菌群落系統(tǒng)發(fā)育聚集[26]。此外，|βNTI|與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，群落構(gòu)建越趨向于隨機(jī)性過程，這個結(jié)果驗(yàn)證了Feng等[49]提出的概念模型。造成此結(jié)果的原因可能是當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)資源豐富時，微生物可利用的養(yǎng)分增加，使其擺脫資源限制，提高了微生物的分散能力，導(dǎo)致隨機(jī)性過程增加[49]。本研究還發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量對βNTI值存在顯著影響。Dini-Andreotea等[9]和Feng等[49]也證明了有機(jī)質(zhì)對土壤微生物群落構(gòu)建的重要性，但其潛在機(jī)制尚不清楚，有研究推測可能與有機(jī)質(zhì)的組成有關(guān)[9]。有機(jī)質(zhì)組成復(fù)雜(包含木質(zhì)素、纖維素、腐殖酸等)，其分解會影響有機(jī)質(zhì)組分的變化導(dǎo)致土壤環(huán)境的變化[50]，進(jìn)而影響土壤微生物。Feng等[49]還發(fā)現(xiàn)全氮、全磷在微生物群落構(gòu)建過程中扮演著重要角色；Peng等[51]發(fā)現(xiàn)全磷介導(dǎo)了土壤豐富和稀有細(xì)菌隨機(jī)和確定性過程之間的平衡。已有研究表明全氮、全磷與有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)[51]，但全氮、全磷對微生物群落構(gòu)建影響的潛在機(jī)制需進(jìn)一步研究。另外，同質(zhì)性選擇源于環(huán)境同質(zhì)性，均質(zhì)擴(kuò)散源于高擴(kuò)散率，兩者都會導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)趨同；異質(zhì)性選擇源于環(huán)境異質(zhì)性，導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)高度變異[9, 52]。本研究表明當(dāng)有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量差異較小時，土壤環(huán)境趨同，同質(zhì)性選擇以及均質(zhì)擴(kuò)散過程主導(dǎo)細(xì)菌群落構(gòu)建，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似；當(dāng)有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量差異較大時，土壤環(huán)境趨異，異質(zhì)性選擇過程主導(dǎo)，資源含量的差異造成了微生物的差異，群落差異性增加。本研究結(jié)果說明有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量的差異會影響細(xì)菌群落構(gòu)建過程中隨機(jī)性和確定性過程的相對貢獻(xiàn)，控制隨機(jī)性–確定性過程的平衡。

4 結(jié)論

麥田土壤細(xì)菌群落中優(yōu)勢菌門為酸桿菌門和變形菌門。關(guān)鍵物種來源于擬桿菌門、酸桿菌門和變形菌門，它們可能與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)等密切相關(guān)。通過零模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)確定性過程在局域尺度麥田土壤細(xì)菌群落構(gòu)建中占主導(dǎo)地位。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量是細(xì)菌群落構(gòu)建的關(guān)鍵影響因素，控制著隨機(jī)性過程–確定性過程的平衡。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量還對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響。本研究有利于對局域尺度下麥田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物多樣性形成機(jī)制的認(rèn)識。

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Soil Microbial Community Construction Processes and Its Driving Factors in Wheat Field at Local-scale

CHEN Xianni, MI Qian, XU Xiaofeng*

(College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471000, China)

In order to explore soil microbial community construction processes in wheat field at local-scale, soil samples were collected from wheat fields in Jiyuan City, Henan Province, and high-throughput sequencing technology was used to study soil bacterial community structure, community construction process and its influencing factors. The results showed that: 1) The dominant phyla were Acidobacteria and Proteobacteria in soil bacterial community. Mantel test and redundancy analysis found that organic matter and total nitrogen had significant effects on bacterial community structure (<0.05). 2) The different bacterial groups in the bacterial molecular ecological network were dominated by cooperative relationship. The key species were from Bacteroidetes, Acidobacteria and Proteobacteria. 3) Bacterial communities were clustered phylogenetically, and organic matter and available phosphorus had significant effects on bacterial community phylogeny (<0.05). 4) The contribution rates of deterministic process and stochastic process in bacterial community construction were 74.59% and 25.41%, respectively. 5) Mantel test found that the βNTI value was significantly positively correlated with the changes of organic matter, total nitrogen and total phosphorus contents (<0.05). The increases in the differences of organic matter, total nitrogen and total phosphorus contents led to the transformation of bacterial communities from homogeneous selection and homogeneous diffusion to heterogeneous selection. Conclusively, this study found that deterministic processes dominated the construction of soil bacterial communities in local-scale wheat fields, and organic matter, total nitrogen and total phosphorus were the key environmental factors affecting bacterial community construction. Organic matter and total nitrogen also had significant effects on bacterial community structure. This study contributes to the understanding of the formation mechanism of soil microbial diversity in wheat field ecosystems at the local scale.

Wheat; Soil bacteria; Community construction processes; Community structure; Influencing factors

S154.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.015

陳鮮妮, 米倩, 徐曉峰. 局域尺度麥田土壤微生物群落構(gòu)建過程及其驅(qū)動因素. 土壤, 2023, 55(4): 812–820.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0201700)資助。

(Xiaofnong07@haust.edu.cn)

陳鮮妮(1986—)，女，博士，講師，主要從事土壤肥力與養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)研究。E-mail: xnchen0701@126.com