菌根类型、树木多样性及物种特性对温带森林土壤微生物基因组功能潜力的影响

《Microbiology Spectrum》：Impacts of mycorrhizal types, tree diversity, and species identity on the soil microbial genomic functional potential in temperate forests

土壤微生物基因组功能潜力受菌根类型混合、树种多样性和物种身份的影响，表现为碳、氮、磷循环基因丰度的显著差异。β多样性增加与碳和磷循环功能增强正相关，而α多样性仅部分关联。土壤C:N:P stoichiometry与微生物功能弱相关，主要驱动因素为社区结构重组而非单纯丰富度。

　　土壤微生物的基因组功能潜力是指微生物群落整体的遗传能力，用于调节涉及碳（C）、氮（N）和磷（P）的养分循环过程。尽管微生物群落组成的驱动因素已被广泛研究，特别是在森林生态系统中，但树种身份、菌根类型及其在树种多样性梯度上的混合对微生物基因组潜力的影响仍然知之甚少。本研究通过分析MyDiv实验平台中八种树种根部土壤样本的真菌ITS2和细菌16S rRNA宏条形码数据，预测了与碳、氮和磷循环相关的基因及其比率（C:N、C:P、N:P）。研究评估了树种身份、地块菌根类型（单一：AM或EcM，混合：AE = AM + EcM）以及树种多样性水平（单一种、双种混合、四物种混合）对微生物C、N、P循环基因组潜力及其比率的影响。同时，还测试了微生物多样性、微生物β多样性与土壤C:N:P化学计量比之间的关系，以及它们对微生物C、N、P循环基因组潜力和比率的影响。

研究结果表明，地块菌根类型混合对真菌和细菌的C、N、P循环基因组潜力及其比率产生了持续的影响，而树种多样性显著影响了真菌的C和P循环基因组潜力，以及细菌的C循环和C:P比率。树种身份对真菌基因组潜力有影响，特别是在AM和AE类型中，而细菌的功能潜力则与树种多样性在AM、AE和EcM地块中显著相关。此外，真菌丰富度在EcM地块中显著下降，而在AM地块中则显著增加，显示出对基因组潜力比率的相反影响，而细菌丰富度与基因组潜力之间没有显著关系。真菌和细菌的β多样性在EcM和AE地块中均与C和P循环基因组潜力呈正相关。在EcM和AE地块中，随着真菌β多样性的增加，C:N和C:P基因组潜力比率上升，而N:P比率下降。类似的模式在所有AM、EcM和AE地块的细菌基因组潜力中也有所体现。总体而言，土壤C:N:P化学计量比与微生物C、N、P循环基因组潜力之间的相关性较弱且不显著。

研究结果强调了地块菌根类型混合、树种身份和树种多样性在塑造微生物C、N、P循环基因组功能潜力中的作用。这些结果还表明，微生物群落的周转、分类学替换和组成重构，而非仅仅整体丰富度，是微生物功能多样化的主要驱动因素。这为森林管理提供了重要启示，即通过混合不同菌根类型的树种并增加树种多样性，可以增强土壤微生物功能，提高养分循环效率，并改善森林生态系统的韧性和生产力。此外，研究还指出，虽然真菌的丰富度与某些基因组潜力存在显著关系，但细菌的丰富度与功能潜力之间没有显著联系，这可能归因于细菌群落内部的高功能冗余。研究还揭示了真菌和细菌的β多样性与基因组潜力之间的关系，显示了微生物群落结构对养分循环功能的深远影响。

本研究使用了MyDiv实验平台，该平台位于德国萨克森-安哈尔特州的Bad Lauchst?dt实验研究站，旨在探索不同树种和菌根类型对土壤微生物群落的影响。实验包括80个11×11米的地块，每个地块种植140棵树，距离为1米。树种分为10种，均等分布在AM和EcM组中，并种植于单一种、双种混合和四物种混合的配置中。研究选取了八种代表AM和EcM的树种进行分析，并通过宏条形码技术获取了根部土壤样本的微生物数据。土壤样本通过2毫米筛网筛分以去除根系碎片，并在-20°C下保存用于后续的DNA提取。

在实验方法中，首先进行了土壤养分分析，包括总碳（C）和氮（N）的测定。通过干燥、研磨和称重等步骤，获得了土壤样本的总碳和氮含量。随后，使用DNeasy PowerSoil Kit提取了土壤DNA，并通过NanoDrop分光光度计进行浓度测定。细菌的16S rRNA基因扩增采用了V4区域的通用引物，而真菌的ITS2区域则通过两步半嵌套PCR扩增进行分析。PCR产物经过AMPure XP磁珠纯化，以去除残留引物和副产物。随后，通过Illumina Nextera XT索引技术引入样本特异性条码，并在等摩尔比下混合以达到4nM的目标浓度。最终，使用Illumina MiSeq平台进行高通量测序，获得了300 bp的双端读数。

在生物信息学分析中，使用QIIME 2 2020.2工具处理原始测序数据，通过Cutadapt进行质量过滤和修剪。使用DADA2工具进行去噪和聚类，以生成扩增子序列变异（ASVs）。随后，通过分类学分析确定微生物群落的组成，并进行α多样性计算，如观察到的丰富度。为了预测微生物群落的功能潜力，使用了PICRUSt2工具，该工具基于已识别的ASVs推断宏基因组功能潜力。通过将ASV序列与参考基因组数据库比对，利用隐马尔可夫模型（HMMER）进行分类，并计算每种基因家族的基因数量。最终，筛选出与碳、氮和磷循环相关的基因，用于进一步分析。

统计分析部分使用了R语言进行数据处理和可视化。通过两因素方差分析（ANOVA）评估了树种多样性、地块菌根类型混合对微生物基因组潜力的影响。线性回归分析用于探讨微生物C、N、P循环基因组潜力及其比率与土壤C:N:P化学计量比、微生物α和β多样性之间的关系。此外，还计算了微生物功能潜力与主要真菌和细菌科属相对丰度之间的相关性，以揭示特定微生物群落对养分循环功能的贡献。

研究结果不仅揭示了不同树种和菌根类型对微生物基因组潜力的显著影响，还强调了微生物群落结构在调节养分循环功能中的重要性。真菌和细菌的β多样性在某些地块中与特定的基因组潜力呈正相关，而α多样性则显示出不同的影响模式。这些发现表明，微生物群落的组成变化，而非仅仅丰富度，是微生物功能多样化的关键驱动因素。同时，研究还指出，土壤C:N:P化学计量比在某些特定的地块和树种多样性水平下与微生物基因组潜力存在显著关系，这可能反映了不同植物-菌根类型组合对土壤养分可用性和微生物功能的调节作用。

研究还分析了主要真菌和细菌科属的相对丰度与微生物C、N、P循环基因组潜力及其比率之间的关系。结果显示，某些科属在不同菌根类型和树种多样性水平下对基因组潜力的贡献存在显著差异。例如，在EcM地块中，Hymenogastraceae、Cordycipitaceae和Aspergillaceae科属与C、N和P循环基因组潜力显著相关，而在AM和EcM地块中，某些科属如Xanthomonadaceae、Solirubrobacteraceae、Propionibacteriaceae、Mycobacteriaceae和Geodermatophilaceae未表现出显著的贡献。这些结果进一步支持了微生物群落结构与功能潜力之间的紧密联系。

此外，研究还探讨了土壤C:N:P化学计量比与微生物基因组潜力之间的关系。在特定的菌根类型下，如AM和EcM，土壤C与微生物C循环基因组潜力之间存在显著相关性，而土壤C:N与微生物C:N比率之间也存在显著联系。然而，在更广泛的地块水平上，这种相关性较弱且不显著，可能由于土壤和微生物群落的空间异质性和复杂性所导致。这些发现强调了植物-菌根类型组合对微生物功能潜力的重要影响，以及在不同环境条件下微生物功能多样性的变化。

综上所述，本研究揭示了树种多样性、菌根类型及其混合对土壤微生物基因组功能潜力的深远影响。这些结果不仅有助于理解微生物群落如何响应不同的植物-菌根类型组合，还为森林管理提供了理论依据，即通过增加树种多样性和混合不同菌根类型的树种，可以优化土壤微生物功能，提高养分循环效率，并增强森林生态系统的韧性和生产力。未来的研究应进一步采用宏基因组方法，以更全面地揭示微生物功能潜力的机制。