關鍵菌群的生物多樣性決定了40年施肥管理下的作物產量

Biodiversity of key-stone phylotypes determines crop production in a 4-decade fertilization experiment

Article，2020-10-07

The ISME Journal, [IF 9.18]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41396-020-00796-8

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41396-020-00796-8#Sec18

第一作者：Kunkun Fan (範坤坤)；Manuel Delgado-Baquerizo

通訊作者：Haiyan Chu (褚海燕)；Yong-guan Zhu (朱永官)

合作作者：Xisheng Guo (郭煕勝)；Daozhong Wang (王道中)

主要單位：

中國科學院南京土壤研究所 (State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, 71 East Beijing Road, Nanjing 210008, China)

中國科學院大學 (University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

西班牙塞維利亞巴勃羅.德.奧拉維德大學(Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales, Universidad Pablo de Olavide, Seville, Spain)

安徽省農業科學院土壤肥料研究所(Institute of Soil and Fertilizer Research, Anhui Academy of Agricultural Sciences, South Nongke Road 40, Hefei, 230031, China)

中國科學院城市環境研究所(Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China)

摘要

Abstract

幾十年施肥管理下的作物種植體系對陸地生態系統的生產力和功能潛力產生了不確定的影響。其中，長期施肥背景下土壤生物多樣性在調控作物產量方面的機制尚未清楚，這也限制了我們在全球變化背景下通過土壤生物多樣性的變化來評估作物生產和土壤健康。本研究中，作者將多營養級生態網路和土壤微食物網理論相結合，藉助35年長期施肥試驗平臺，研究土壤生物多樣性尤其關鍵微生物菌群的多樣性對土壤功能潛力和小麥產量的影響。結果表明，關鍵微生物菌群的多樣性與土壤功能基因和作物產量之間呈正相關關係，並且部分關鍵微生物菌群與作物生長息息相關（固氮菌、光合菌等），並與大部分參與養分迴圈的功能基因丰度呈正相關。同時，與其他微生物叢集相比，關鍵微生物菌群具有更多參與氧化還原反應和碳、氮、磷、硫元素迴圈的功能基因。該研究揭示了長期施肥背景下關鍵微生物菌群多樣性在維持土壤功能和作物產量方面的重要作用，並且找出了與作物產量和土壤養分迴圈密切相關的多營養級微生物叢集，為糧食生產的可持續性發展提供科學指導。

引言

Introduction

近年來，越來越多的試驗和觀察研究表明土壤生物多樣性在自然生態系統中養分迴圈，有機質降解，植物生產力和病原菌調控等方面具有重要作用。然而，我們對長期施肥管理下農田生態系統中土壤生物多樣性對作物產量和土壤健康的影響知之甚少。在農業生態系統中，施肥被普遍用來提高作物產量，但同時也潛在影響了土壤生物多樣性在維持作物增產中的作用。施肥能改變土壤生物的多樣性和群落組成，並且不同施肥管理對微生物群落的影響也存在差異，因此，加深對土壤生物多樣性在調控土壤過程和農田作物生產力方面的認知將為糧食生產的可持續性發展提供科學指導。

土壤生物以微食物網形態在土壤中共存，其中包含捕食者、被捕食者、益生菌、病原菌等，並且在根-土介面（根際微環境）中發揮重要作用。在農業生態系統中，這些多營養級群落（細菌、真菌、線蟲等）是參與土壤過程的重要指示物種。近年來，生態網路為解析成千上萬種土壤生物之間的潛在關係提供了新方法，並且模組化分析可以用於發現與土壤功能和作物產量息息相關的關鍵微生物類群。最近，有研究在自然生態系統中揭示了關鍵微生物菌群多樣性在驅動生態系統功能方面的重要作用，簡言之，具有較多特定關鍵微生物菌群的自然生態系統土壤同時具有更高的植物生產力和有機質降解速率，同時也具有較少的病原菌。然而，在人為干預頻繁的農業生態系統中，尤其在長期施肥管理下，土壤生物多樣性和關鍵微生物菌群的多樣性在維持作物產量和土壤功能潛力方面的機制尚未可知。同時，我們也缺乏對與作物產量和土壤養分迴圈密切相關的特定關鍵微生物菌群基因組特性的研究。基於此，我們依託安徽蒙城長期定位試驗站對長期不同施肥管理下小麥根際、非根際土壤進行取樣，並結合高通量測序與高通量定量PCR技術測定土壤多營養級群落和土壤功能基因丰度。我們推測在長期施肥管理下土壤生物多樣性尤其是關鍵微生物菌群的多樣性是驅動作物產量和土壤功能的關鍵因素，因此保護土壤生物多樣性尤其是關鍵微生物類群的多樣性具有重要的實踐意義。

結果

Result

與土壤功能和作物產量密切相關的關鍵微生物菌群

Key-stone ecological cluster linking to soil functions and crop production

利用生態網路模組分析，共發現四個主要的微生物生態叢集(Module #0-3) (圖1A-B)。其中Module #0中細菌、真菌、叢枝菌根真菌、線蟲的多樣性與功能基因丰度和作物產量呈顯著正相關(圖1C-D)。其中Module #0中包含了較多的植物促生菌和最少的病原菌。因此我們將Module #0作為關鍵微生物菌群。

圖1 基於多營養網路的生態叢集。

(A) 四個主要微生物生態叢集的網路圖(Module #0-3); (B)不同微生物生態叢集中優勢菌群的OTU比例; (C) &(D)線性迴歸分析解析關鍵微生物菌群生物多樣性與土壤功能潛力、小麥作物產量之間的關係。

與此同時，關鍵微生物叢集(Module #0)中主要的優勢菌群之間包含較多的正相關關係，優勢菌群的相對丰度與大部分功能基因丰度呈正相關(圖2A)。其他微生物生態叢集(Module #1-2)與關鍵微生物叢集不同, Module #1包含了最多的潛在植物致病菌，且優勢菌群之間負相關關係較多(圖2A)；Module #2包含了較多的細菌—叢枝菌根真菌之間的相關性，且優勢菌群與功能基因丰度之間的相關性不顯著 (圖2B)。

圖2 不同微生物生態叢集中(Module #0-2)的優勢菌群。(A)不同微生物生態叢集中優勢菌群之間的相關性；(B)功能基因丰度與不同生態叢集中優勢菌群相對丰度的Spearman相關。

關鍵微生物菌群的系統發育特性及預測的單基因組特定基因拷貝

Phylogenetic traits and predicted per-genome gene copies of key-stone phylotypes

通過進一步獲取不同微生物生態叢集中優勢菌群的全基因組資訊和16S rRNA基因片段(97%相似性)，我們將不同生態叢集中優勢菌群的代表序列與47個全基因組16S rRNA進行構建系統發育樹，結果表明，關鍵微生物菌群(Candidatus Solibacter, Candidatus Koribacter, Rhodoplanes, Bradyrhizobium, Rhizobium)更傾向於在特定細菌門內部呈現系統發育聚集(圖3A)。基因組分析表明，關鍵微生物菌群具有較高的參與氧化還原反應和碳、氮、磷、硫元素迴圈的功能基因拷貝數(圖3B)。

圖3 不同微生物生態叢集中優勢菌群的系統發育特性和單基因組基因拷貝數。(A)不同生態叢集中(Module #0-2)優勢菌群與47個全基因組(16S rRNA片段與優勢菌群序列的相似性大於97%)的系統發育樹；(B)標準化的單基因組基因拷貝數。

關鍵菌群多樣性與功能基因和作物產量之間的生態關係

Ecological relationships between biodiversity of key-stone phylotypes, functional genes, and crop production

結構方程模型分析(SEM)發現關鍵微生物菌群的生物多樣性直接並正向驅動作物產量和土壤功能潛力，表明關鍵微生物菌群的生物多樣性對維持土壤功能潛力和作物產量具有重要作用。同時，總體微生物多樣性對作物產量和土壤功能潛力的驅動作用減弱，其中，總體真菌多樣性和叢枝菌根真菌多樣性對作物產量具有負效應 (圖4)。

圖4 結構方程模型解析影響作物產量的生物與非生物因素。

長期不同施肥、根際效應、土壤特性、總體微生物多樣性、關鍵微生物菌群多樣性、土壤功能潛力對作物產量的直接和間接效應。

通過進一步挖掘特定基因功能，關鍵微生物菌群，作物產量之間的相互關係，我們發現，chiA的基因丰度與關鍵微生物綠彎菌(Chloroflexi)呈顯著正相關；amoB基因丰度與關鍵微生物亞硝化螺菌(Nitrosospira)呈顯著正相關；phoD基因丰度與關鍵微生物中慢生根瘤菌(Mesorhizobium)呈顯著正相關。並且這些功能基因丰度、關鍵微生物菌群的相對丰度與作物產量呈顯著正相關(圖5)。

圖5 關鍵微生物菌群多樣性、功能基因丰度、作物產量之間的生態關係。

以關鍵微生物菌群中綠彎菌(Chloroflexi)、硝化螺旋菌(Nitrospirae)、慢生根瘤菌(Mesorhizobium)和功能基因chiA, amoB, phoD為例。

討論

Discussion

本研究結合多營養級網路分析和土壤微食物網理論發現並驗證了關鍵微生物菌群多樣性對維持土壤功能潛力和作物產量的重要性。關鍵微生物菌群包含了較多的與作物生長息息相關的功能微生物如固氮菌、光合菌、解磷菌等，並與大部分參與養分迴圈的功能基因丰度呈正相關；同時關鍵微生物菌群中含有較少的植物潛在病原菌。檢索到的基因組資訊表明，與其他微生物菌群相比，關鍵微生物菌群具有較高的參與氧化還原反應和碳、氮、磷、硫元素迴圈的功能基因。本研究為靶向分離純培養特定關鍵微生物菌群來調控土壤微生物群落從而提高作物產量提供了科學參考。

參考文獻

Kunkun Fan, Manuel Delgado-Baquerizo, Xisheng Guo, Daozhong Wang, Yong-guan Zhu & Haiyan Chu. (2020). Biodiversity of key-stone phylotypes determines crop production in a 4-decade fertilization experiment. The ISME Journal, doi: https://doi.org/10.1038/s41396-020-00796-8

第一作者簡介

第一作者：範坤坤，中國科學院南京土壤研究所博士研究生，主要關注根際微生物群落構建與演替，土壤微食物網與功能，土壤巨集基因組等。目前以第一作者發表了1篇The ISME Journal、1篇Microbiome、5篇Soil Biology and Biochemistry。

第一作者：Manuel Delgado-Baquerizo,主要關注土壤微生物生態、全球環境變化、古氣候、生物多樣性和生態系統功能等。目前在Nature、 Science、 PNAS、Nature Climate Change、Nature Communications、Nature Ecology and Evolution等期刊發表論文170餘篇。

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