大豆生长过程中土壤细菌门负向互作影响群落的动态变化和功能

近期，西北农林科技大学韦革宏教授团队在Stress Biology发表了题为“Inter-phylum negative interactions affect soil bacterial community dynamics and functions during soybean development under long-term nitrogen fertilization”的论文，预测了大豆生长过程中影响细菌群落动态变化和功能的关键的细菌门间相互作用。

该研究利用细菌群落的高通量测序和氮循环功能基因的定量数据：

(1)揭示了细菌群落和氮循环功能基因丰度的时空变化模式；

(2)预测了关键物种间的关键相互作用，并在群落水平上验证其渗透效应；

(3)探讨了细菌相互作用对氮循环过程的影响程度。

01 细菌群落和氮功能基因的时空变化

在六个重复样本中有一致发生表现的OTU (Operational taxonomic units，操作分类单位)可根据其平均相对丰度分为三组(图1a)。在根际土壤中，这三组OTU在时间尺度上的丰度分布相对均匀。在非根际土壤中，具有较高丰度的两组OTU在特定时期的转折点显示出相反的丰度变化方向(图1a)。这表明在大豆生长的特定阶段，一些物种被选择性富集，而一些则被选择性抑制。在根际土壤中，OTU被大量富集或抑制的时期大致同步(图1b)。但在非根际土壤中，约60%的OTU在S2和S3期被特异性富集，在S3和S4期被特异性抑制。该研究所分析的氮功能基因的丰度在施肥处理间均存在显著差异( Kruskal test，P<0.05；图1c)。此外，有5个氮功能基因的丰度在不同采样时期差异显著( Kruskal test，P<0.05；图1d)。nirK和nosZ基因在根际样本中的丰度显著高于非根际样本(图1e)。

图1 细菌丰度(a)、特异性富集或抑制的OTU个数(b)、组间差异显著的氮功能基因丰度(c-e)的时空分布。

02  关键物种间的互作模式

该研究从被特异选择的亚群落的网络中确定了关键物种。除O2处理外，属于Cyanobacteria的关键物种与非根际土壤中属于Proteobacteria、Actinobacteria和其他门的关键物种呈负相关(图2a)。然而，根际土壤中的关键物种均不属于Cyanobacteria。在整体群落水平上，Cyanobacteria与非根际样本中的Actinobacteria、Proteobacteria和Gemmatimonadetes呈负相关。在有机氮肥处理下，Cyanobacteria与非根际样本中的Acidobacteria呈负相关(图2b)。在根际样本几乎所有的施肥处理组中，Actinobacteria均与Proteobacteria和Gemmatimonadetes呈强烈的负相关。而Actinobacteria和Acidobacteria之间仅在根际样本的有机氮处理组中表现出较强的负相关(图2c)。

图2 不同时期被特异选择的亚群落中关键物种的网络分析(a)以及非根际(b)和根际(c)土壤中关键细菌门间的丰度关系。

03 细菌功能群对氮循环的贡献

冗余分析的结果显示，Cyanobacteria对非根际土壤中有机氮处理下氮功能基因的丰度影响很大(图3a)。在根际土壤的有机氮处理下，Actinobacteria和Proteobacteria对氮功能基因的丰度有较大影响。在随机森林分析中能显著预测功能基因丰度变化的不同时期被特异选择的OTU构成了功能群。Proteobacteria、Actinobacteria、Acidobacteria、Gemmatimonadetes和Cyanobacteria是主要的功能群。尽管Cyanobacteria仅占功能群的一小部分(图3b)，但随机森林分析的结果显示，Cyanobacteria表现出最高的IncMSE值。这表明Cyanobacteria的丰度强烈地影响多种氮功能基因的丰度(图3c)。此外，我们发现nifH基因的拷贝数与其相对应的IncMSE值之间显著负相关(图3d)，这表明可被固氮功能群显著预测的nifH基因往往具有较低的丰度。固氮菌Proteobacteria和Cyanobacteria之间的负向相互作用可能会对nifH基因的丰度产生负向影响。

图3 群落水平上关键细菌门与氮功能基因的冗余分析(a)、功能细菌门的组成(b)及其对氮循环过程的相对重要性(c)、氮功能基因拷贝数和IncMSE间的线性回归关系(d)。

总结

大豆的生长强烈地影响土壤细菌的群落结构。施肥处理显著影响氮功能基因的丰度。

非根际土壤中的细菌群落在大豆分枝期表现出强烈的丰度变异，这种丰度的波动可以帮助预测微生物间潜在的负向相互作用。

Cyanobacteria和Actinobacteria分别在非根际土壤和大豆根际土壤中与其他关键细菌门显著负相关。

该结果为大豆种植系统中土壤微生物资源的应用和开发提供了合适的靶点。此外，固氮功能群之间的负向相互作用会在一定程度上引起nifH基因丰度的降低。这一结果为揭示细菌群落的动态变化与功能之间的联系提供了一个新的视角。明确微生物之间的相互作用及其产生的影响将为预测群落的动态变化、设计稳健的合成菌群提供理论依据。

链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s44154-021-00015-0

https://mp.weixin.qq.com/s/Ip0r6afga3ji1N6y-9hqRg