原名：Network analysis and subsequent culturing reveal keystone taxa involved in microbial litter decomposition dynamics
譯名：網(wǎng)絡(luò)分析和后續(xù)培養(yǎng)揭示了參與微生物凋落物分解動力學(xué)的關(guān)鍵類群
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：8.5
發(fā)表時間：2021.6
通訊作者：徐陽春
主要單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院
土壤中植物凋落物的分解由定殖在凋落物殘體上的細菌和真菌等微生物驅(qū)動，因此，細菌和真菌群落的相互作用可以揭示木質(zhì)素的分解機制。以往的研究主要是在微生境、異地條件或單一土壤生態(tài)系統(tǒng)中研究凋落物分解的微生物群落。而本研究通過為期12周的室內(nèi)凋落物（秸稈）分解實驗，探討三種不同利用類型（林地、農(nóng)田和棄耕地）的土壤中凋落物分解與酶活性和微生物群落變化的關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)：（1）三類土壤中林地凋落物的分解程度最高；（2）然后，我們用多種方法證明了這是由微生物群落決定的，林地土壤微生物群落具有更高活性的木質(zhì)素分解酶，更高的微生物多樣性，以及不復(fù)雜但更專門化的網(wǎng)絡(luò)。細菌中的Chryseobacterium（金黃桿菌屬）和真菌中的Fusarium（鐮刀菌屬）、Aspergillus（曲霉菌屬）、Penicillium（青霉菌屬）是三類土壤微生物網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵類群；（3）我們隨后開展了分離培養(yǎng)實驗，進一步證實了這些關(guān)鍵類群具有高的凋落物分解能力和酶活性。本研究首次驗證了微生物關(guān)鍵類群在凋落物分解中的作用，網(wǎng)絡(luò)分析與培養(yǎng)實驗的結(jié)合被證明是篩選微生物關(guān)鍵類群的可選模式。總體而言，我們的結(jié)果說明，土地利用類型通過土壤微生物群落的組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進而影響凋落物的分解。我們的研究還揭示了特定的關(guān)鍵微生物類群參與了凋落物的分解，未來或許可以利用這些關(guān)鍵類群來調(diào)控土壤生態(tài)系統(tǒng)中木質(zhì)素的分解。
1. 凋落物分解及其質(zhì)量的變化隨著時間的推移，土地利用類型對凋落物分解有明顯影響，在第2周和第12周，林地的凋落物分解率最高，而棄耕地的凋落物分解率最低。在第12周后，林地、農(nóng)田和棄耕地凋落物的分解率分別達到63.42%、53.75%和50.38%（圖1-a）。林地凋落物分解常數(shù)顯著高于耕地和棄耕地。土地利用類型和時間對凋落物分解都有顯著影響。不同土地利用類型的凋落物組成也有顯著變化（圖1 b-d）。土地利用類型和時間都會影響凋落物質(zhì)量的變化。
圖1. 林地、農(nóng)田和棄耕地凋落物分解及質(zhì)量變化
2. 酶活性的變化不同土地利用類型的纖維二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶、β-木聚糖酶和漆酶的活性也存在顯著差異（圖2 a-d）。在整個采樣期間（包括初始時間），林地中的所有酶活性均顯著高于農(nóng)田和棄耕地，但是每種酶的活性表現(xiàn)出不同的趨勢。四種酶活性的總酶活性（Z-score）顯示：林地的總酶活性顯著高于其他兩個位點（圖S3）。木質(zhì)素酶活性與凋落物分解呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.001，圖2-e)。具體而言，β-葡萄糖苷酶與三種土壤的纖維素和半纖維素顯著相關(guān)。漆酶與木質(zhì)素也顯著相關(guān)。土地利用類型和時間都顯著影響凋落物質(zhì)量的變化。這些結(jié)果表明，三種土壤的凋落物分解與相關(guān)酶活性之間存在很強的相關(guān)性。
圖2. 林地、農(nóng)田和棄耕地中（a）纖維二糖水解酶、（b）β-葡萄糖苷酶、（c）β-木聚糖酶和（d）漆酶的變化。（e）四種纖維素酶活的總和（Z-score）與凋落物分解的關(guān)系
3. 凋落物分解過程中微生物群落的演替細菌和真菌群落都隨時間顯著變化。富集培養(yǎng)2-12周后，秸稈表面的微生物群落與初始樣品（未培養(yǎng)前）的微生物群落明顯不同。在前期和后期，林地土壤的細菌總量（絕對豐度）都顯著高于農(nóng)田和棄耕地（圖3-a）。凋落物開始分解后，細菌的OTU豐富度立即下降（圖3-c），表明摻入秸稈后來自土體的細菌群落開始發(fā)揮作用（分解秸稈）。隨著分解的進行，細菌OTU豐富度隨時間增加，在第6周和第8周達到最高，然后再下降（圖3-c）。林地土壤的細菌群落與農(nóng)田和棄耕地土壤的細菌群落不同（圖3-e），并且這些差異在整個采樣期間都十分明顯。凋落物分解過程中的優(yōu)勢細菌門為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）和綠彎菌門（Chloroflexi）（圖3-g）。三種土壤中這些優(yōu)勢菌門的變化趨勢不同。另外，在林地中，只有細菌的β多樣性（PCoA1）與木質(zhì)素呈顯著負相關(guān)關(guān)系。這些結(jié)果表明，在凋落物分解過程中細菌群落隨不同生態(tài)系統(tǒng)類型（土壤類型）而變化。一般來說，真菌群落只受土壤類型的影響。在所有時間點，林地真菌的絕對豐度顯著高于農(nóng)田和棄耕地（圖3-b）。與細菌群落類似，在第2周真菌的OTU豐富度顯著下降（圖3-d）。在第2周和第6周，林地真菌的OTU豐度顯著高于其他兩種土壤（圖3-d)。林地真菌的群落結(jié)構(gòu)與農(nóng)田和棄耕地也顯著不同（圖3-f），這種差異在第0、2、6和12周的表現(xiàn)一致。凋落物分解過程中（包括三種土壤和所有采樣時間）的優(yōu)勢真菌門為子囊菌門（Ascomycota）和擔(dān)子菌門（Basidiomycota）（占總序列的70-99%；圖3-h）。在第4周和第6周，擔(dān)子菌門（Basidiomycota）在農(nóng)田和棄耕地中占主導(dǎo)地位，包括Coprinopsis和Psathyrella屬。
圖3. 凋落物分解實驗（12周）中，林地、農(nóng)田和棄耕地土壤細菌和真菌的總豐度、多樣性、群落結(jié)構(gòu)及分類組成的變化
4. 微生物共生網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵類群三種土壤的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度差異較大。與農(nóng)田和棄耕地相比，林地微生物網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度較低（圖4-a和b)。棄耕地的微生物網(wǎng)絡(luò)最為復(fù)雜，其邊數(shù)、平均度和聚類系數(shù)均高出（林地微生物網(wǎng)絡(luò)）2倍（圖4-b）。關(guān)鍵微生物類群主要屬于細菌中的放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）和變形菌門（Proteobacteria），以及真菌中的子囊菌門（Ascomycota）。刪去關(guān)鍵類群OTU后，我們重構(gòu)了三種土壤的共生網(wǎng)絡(luò)，以評估其對網(wǎng)絡(luò)的影響。結(jié)果表明，如果沒有關(guān)鍵類群的OTU，微生物網(wǎng)絡(luò)就會變得更簡單。為了進一步驗證這些關(guān)鍵類群，我們將篩選出60個關(guān)鍵類群OTU與可培養(yǎng)的34株細菌和17株真菌菌株進行了系統(tǒng)發(fā)育地位匹配。結(jié)果顯示，60株中有5株為可培養(yǎng)的菌株，其中林地（TU3451，Penicillium sp.ZJ-F2；TU3409，F(xiàn)usarium sp.ZJ-F3）、農(nóng)田（OTU10384，Chryseobacterium sp.QL-B4；TU84，Aspergillus aculeatus QL-F3）和棄耕地（TU1317，Aspergillussp.BG-F2）（圖4-b）。
圖4.三類土壤中細菌和真菌OTUs共生網(wǎng)絡(luò)
5. 潛在關(guān)鍵物種的（凋落物）分解效能。我們進一步對這5個關(guān)鍵菌株（Penicillium sp.ZJ-F2、Fusariumsp.ZJ-F3、Chryseobacterium sp.QL-B4、Aspergillusaculeatus QL-F3、Aspergillus sp.BG-F2）的凋落物分解能力進行了評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來自林地的Penicillium sp.ZJ-F2菌株的凋落物分解能力顯著高于其他兩種類型的土壤（圖5-a)。此外，F(xiàn)usariumsp. ZJ-F3菌株和Aspergillussp.BG-F2菌株的凋落物分解能力顯著高于Chryseobacterium sp.QL-B4和Aspergillusaculeatus QL-F3菌株（圖5-a)。Penicillium sp. ZJ-F2菌株還具有最高的纖維二糖水解酶、β-木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶和漆酶活性（圖S13）。用Z-score計算四種酶活的總活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Penicilliumsp. ZJ-F2菌株的Z-score最高、凋落物分解能力最強；Chryseobacterium sp.QL-B4的Z-score最低、凋落物分解能力最差（圖5-b）。相關(guān)性分析進一步證實了凋落物分解與關(guān)鍵類群（凋落物分解與Z-score值正相關(guān)）之間的相關(guān)性（圖5-c）。這些結(jié)果表明，可通過構(gòu)建共生網(wǎng)絡(luò)初步篩選潛在的關(guān)鍵微生物類群以進一步探索相關(guān)的微生物功能。
圖5.秸稈液體發(fā)酵實驗（7天）中，凋落物分解的關(guān)鍵類群和四種纖維素酶活的總和（Z-score）
在凋落物分解過程中，木質(zhì)素分解酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)和共生模式（網(wǎng)絡(luò)）發(fā)生了變化，這些變化受土地利用類型的影響。具體而言，林地土壤凋落物分解程度較高的原因是木質(zhì)素降解酶活性較高、微生物多樣性較高、微生物網(wǎng)絡(luò)不那么復(fù)雜但更為專門化。因此，我們的結(jié)果表明，土地利用類型影響的土壤微生物演替介導(dǎo)的土壤凋落物分解?；诠采W(wǎng)絡(luò)分析和后續(xù)的分離培養(yǎng)實驗，我們確定了土壤凋落物分解相關(guān)的關(guān)鍵類群。這些類群表現(xiàn)出很強的凋落物分解能力和酶活性。網(wǎng)絡(luò)分析與培養(yǎng)實驗的結(jié)合是篩選微生物關(guān)鍵類群的可選模式。此外，強調(diào)了通過網(wǎng)絡(luò)評分確定的關(guān)鍵分類群可以通過培養(yǎng)篩選來表征。此外，這是一次利用統(tǒng)計經(jīng)驗驗證微生物工程和代謝模型中關(guān)鍵類群的成功嘗試。