期刊：Applied and Environmental Microbiology
题目：微生物群落结构在火山口海拔梯度上的差异:来自女山火山的启示
第一作者：陈金，崔烨
通讯作者：李晓玉
导读：本研究选取安徽省女山火山不同火山口海拔梯度（顶部，中部，底部）的土壤作为研究对象。利用Illumina MiSeq高通量测序技术并构建微生物共生网络，探讨了不同海拔梯度下女山火山口土壤微生物群落的多样性、组成和功能之间的差异。研究表明，微生物多样性在火山口中部达到峰值。然而，网络分析表明，细菌和真菌群落分别在火山口的底部和顶部最稳定。土壤微生物网络在不同海拔高度表现出先下降后上升的趋势。通过冗余分析(RDA)和Mantel相关性分析，核心微生物与pH和AP的相关性最高。真菌群落的核心微生物数量较多，而细菌核心微生物对环境因素的敏感性较大。
引言：火山土壤展现出卓越的肥力，在全球碳循环中扮演着关键角色。火山地区的土壤具有独特的化学性质，主要存在于火山碎屑沉积物中，在其他环境中极少观察到。对火山喷发的研究为我们提供了宝贵见解，包括微生物成分在其中所起作用。因此，在这些恶劣栖息地中了解微生物种群的重要作用至关重要。土壤生态系统整体健康取决于土壤微生物群落控制一系列功能的能力。在如火山土壤这样极端环境下，强大的微生物种群对塑造这些栖息地所观察到的独特特征起着重要作用。火山爆发后，土壤微生物群参与对土壤结构和新土层发育至关重要，并显著促进了这些环境的恢复过程。本研究采用Illumina测序技术和系统发育分析，构建微生物共生网络，探讨了不同海拔梯度下庐山火山口土壤微生物群落的多样性、组成和功能。基于前人的研究，我们推测:(1)火山口内不同海拔高度土壤微生物的多样性和组成存在显著差异;(2)微生物群落相互作用随海拔差异而变化;(3)海拔差异导致的环境变化可能对微生物群落造成不同的压力。
研究方案：本研究的取样位于安徽省东部的安徽女山火山(32.83°-33.03°N, 117.97°-18.23°E)。该火山容纳了丰富的原始微生物资源，这些资源一直没有受到广泛的人类活动干扰。因此，女山火山可以作为研究火山土壤生态系统中微生物群落的天然模型。土壤样本从火山口底部，中部和顶部的东南西北四个方向采集。在每个指定区域内建立了四个单独的地块，每个地块面积为5米× 5米。每个样地随机选取5个1m × 1m的土壤样品。收集后，通过2mm筛网仔细清除石头和凋落物，获得待测土壤样品。
研究结果：
图1 三种类型站点间微生物群落的α和β多样性与前100个细菌(d)和真菌(e)群落构建的系统发育树。
微生物群落的α多样性(Ace、Simpson和coverage)由于火山口高度的变化而有显著差异(图1a)。火山口底部细菌群落丰富度(Ace指数)显著高于火山口中部和顶部(p < 0.05)。在α多样性方面，火山口中部土壤表现出更高的多样性(Simpson指数、coverage指数)(p < 0.001)。这些结果在真菌群落的分析中得到了成功的再现。这些数据清楚地表明，微生物Ace指数随着火山口高度的降低而显著升高(p < 0.05)。此外，除Ace指数外，微生物多样性随火山口高度的降低而显著降低，在MC处达到最大值。PCoA分析结果表明，Pco1和PCo2分别占细菌群落(图1c)和真菌群落(图1d)总体变异的73.3%和63.9%。结果表明，与真菌群落相比，细菌群落内部的差异更大，其差异性更突出。
利用前100个属的丰度来描述系统发育的变化。本研究的综合分析，显示存在15个主要细菌门和6个优势真菌门。系统发育分析显示，最常见的细菌门为放线菌门(29属)、变形菌门(25属)、酸杆菌门(16属)、绿菌门(10属)和厚壁菌门(4属)。剩下的分类群属于其他各种门(图2a)。在真菌群落组成上，子囊菌门有71属，担子菌门次之，有22属。观察到的五个最常见的细菌属是norank_f_norank_o_elsterales, Bacillus, norank_f_norank_o_vicinamibacterales,Acidothermus和norank_f_norank_o_elsterales，平均约占细菌群落的34.31%(图2a)。鉴定出数量最多的5个真菌属是Neocosmospora、unclassified_f_Elaphomycetaceae、Mortierella、Trechispora和unclassified_p_Rozellomycota，在细菌群落中平均占比约为34.21%(图2b)。
图2 基于火山口底部、中部和顶部地区ASV水平的细菌和真菌共生网络。a:节点的大小代表asv的丰度，不同门的节点颜色不同。蓝色表示正相关，灰色表示负相关。b:细菌和真菌网络的鲁棒性通过随机移除网络中50%的节点来分析。c:三个处理组共同显示网络的拓扑属性。
细菌网络分析结果表明，放线菌门(33.61% ~ 36.05%)、变形菌门(17.37% ~ 24.96%)、酸杆菌门(11.42% ~ 20.26%)、绿菌门(7.99% ~ 8.03%)和厚壁菌门(3.42% ~ 12.89%)是3个站点优势网络节点的主要组成部分。在真菌方面，大多数网络节点主要由子囊菌门(47.25%-60-67%)、担子菌门(11-89%-19-26%)和罗微菌门(3-35% -10-66%)组成(图2a)。细菌网络中的节点和边缘数量随着火山口高度的增加而减少(图2a)。然而，真菌群落并没有表现出这种模式的完全复制。在火山口中部土壤中，发现真菌网络中的节点和边的数量最少，通过检查节点级拓扑特征也证实了这一点(图2)。因此，我们得出结论，火山口底部有一个高度复杂的细菌群落。此外，在细菌和真菌之间的属水平上对网络的检查表明，细菌网络表现出更高的复杂性，节点数量(136：103)和边缘(1238：526)更多，表明其比真菌网络更复杂。
网络的鲁棒性，即其承受节点损失的能力，通过对随机物种灭绝进行模拟来评估(图2b)。当额外的节点被消除时，观察到细菌和真菌网络的弹性发生了变化。值得注意的是，当50%的节点被消除时，细菌网络在火山口顶部的鲁棒性明显高于底部和中部 (p < 0.0001)。相比之下，在真菌网络中，火山口顶部表现出最低水平的网络鲁棒性(p < 0.05)，而火山口高度的增加导致真菌网络鲁棒性显著增强(p < 0.0001)。
图3 基于距离的冗余分析排序显示了影响微生物群落组成的因素在三种类型站点之间的变化与细菌(c)和真菌(d)群落与每种Pb、Cu和Cd相关的核心微生物属。
RDA排序分析表明，土壤的物理和化学特征与重要微生物属的组成之间存在显著的关联(图3a-b)。影响土壤理化性质核心细菌属组成的主要因子为第1轴和第2轴，分别占总变异的89.06%和6.63%。同样，在真菌群落中，第1轴和第2轴对土壤理化性质相关核心属组成总变异的贡献率分别为90.93%和6.22%。RDA分析显示，核心菌属组成受到AP (p = 0.012)和pH (p = 0.008)的显著影响，而BG (p = 0.012)和TN (p = 0.023)的影响相对较小(图6a)。这些观察结果在真菌群落中也是一致的。Mantel试验结果显示，Pb、CD和Cu的存在与核心微生物属组成之间存在显著的联系。在核心菌属的群落中，norank_f_norank_o_11−24与Cu之间存在显著的相关性。此外，所有核心真菌属与Pb没有相关性(图3c-d)。
总结：本研究深入分析了女山火山沿着不同海拔梯度上的土壤微生物群落组合和结构，揭示了这些群落的群落结构差异的潜在机制。火山口中部的微生物多样性和丰度最高，而火山口底部的微生物群落丰富度最低。最复杂和稳定的微生物网络被发现在火山口底部，与真菌网络相比，细菌网络表现出更大的复杂性。然而，真菌网络的特点是核心微生物的数量较多。pH和有机碳等环境因子对这些微生物群落的影响最大。此外，发现Cd和Cu与火山土壤核心微生物的相互作用尤为显著。
作者介绍
陈金（第一作者）：安徽农业大学副教授，硕士生导师。主要研究方向为微生物资源开发与利用，相关学术成果发表在iMeta、Applied and Environmental Microbiology、Catena、Horticultural Plant Journal、Science of the Total Environment等期刊。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等项目，担任iMeta、Exploration等期刊青年编委。
崔烨（第一作者）：安徽农业大学2023级农艺与种业专业硕士。研究方向为极端环境土壤微生物生态，以第一作者（含共一）在Applied and Environmental Microbiology和Rhizosphere发表论文2篇。
李晓玉（通讯作者）：安徽农业大学教授，博士生导师。主要从事玉米与微生物互作抗逆及根际微生态调控研究。主持国家自然科学基金项目3项，国家重点研发计划课题1项、子课题2项，省级项目3项；主持省级教研项目2项。以第一完成人获得省级教学成果一等奖1项，获全国农牧渔业丰收二等奖（第3完成人），授权专利8项。以第一作者和通讯作者发表SCI论文30余篇，获得地方标准1项，主持和参与选育玉米新品种4个。
