期刊：Environmental Research
题目：火山环境对狗尾草根际土壤微生物关键类群及生态系统多功能性的影响
第一作者：崔烨
通讯作者：李晓玉，陈金
导读：在本研究中，我们采用Illumina MiSeq高通量测序分析了火山狗尾巴草根际土壤的微生物群落组成。与非火山区相比，火山土壤真菌alpha多样性较高，细菌绝对丰度在两个演替间差异显著（P < 0.0001）。网络分析进一步表明，非火山区微生物多样性优于火山区。火山真菌网络有更多的节点和边缘，比非火山区域更复杂(节点：425：770；边：21844：74532)，并且更多的根际促生菌被富集。回归分析和相关网络分析表明，真菌群落与生态系统多功能性的关系比细菌群落更密切。本研究为火山植物根际微生物关键类群的研究奠定了基础，并对植物根际土壤生态系统的多方面功能提供了有价值的见解。
引言：对整个微生物群落的稳定性至关重要的高度相关的分类群被称为微生物关键类群。它们的存在与污染物的分解以及土壤中碳和氮的循环有关，有助于生态多功能性的稳定性。然而，在火山环境中，关键分类群在维持微生物群落稳定性及其与生态系统多功能性的关系方面的作用尚未明确阐明。狗尾巴草（Setaria viridis L.）是一种草本植物，具有许多优点，例如能够抵抗干旱和重金属、快速繁殖、高种子产量和高效的光合作用。它可以作为极端地区的先锋植物。在本研究中，以狗尾巴草为代表性植物，分别在火山区（SV）和非火山区（SN）取样。我们调查的主要目标包括三个不同的方面：（1）调查火山和非火山地区狗尾巴草根际土壤微生物群落之间的差异;（2）确认两地狗尾巴草根际土壤根际微生物群落的稳定性和复杂性;（3）揭示了狗尾巴草根际土壤中微生物群落与多样性之间的联系以及生态系统的多功能性。在这项研究中，我们调查了火山土壤根际的微生物群落，研究了土壤微生物与土壤多功能性之间的联系，并概述了火山土壤微环境和生物学的潜在影响。
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。采集狗尾巴草根际土壤，收集后通过2mm筛网，获得待测土壤样品。
研究结果：
图1. 两种位点类型之间细菌（a）和真菌（b）群落的alpha和beta多样性。
狗尾巴草根际土壤中微生物群落的多样性在火山区和非火山区之间表现出显著差异（P < 0.05）。与非火山区相比，火山区土壤细菌群落的alpha多样性（Chao指数、Shannon指数、Shannoneven指数和Pielou指数）明显较低。相反，在真菌群落中，火山区的alpha多样性大大大于非火山区。值得一提的是，群落丰富度是两个地区之间alpha多样性差异的最显著指标（P < 0.01;P < 0.0001）。Beta多样性分区结果表明，导致细菌群落组成差异的主要因素是物种丰富度的变化，分别占样本差异的75.84%（火山区）和76.30%（非火山区）。归因于物种更替的Beta多样性差异比例相对较小，分别为 1.97%（火山区）和1.49%（非火山区）。真菌群落中的发现与细菌中的发现一致。
图2. SPEC-OCCU 图显示了每种栖息地类型（a）中丰度最高的2000个ASV；x 轴表示占用率，即ASV在所有站点中的分布情况；y轴表示特异性。饼图显示代表每个栖息地特化种的ASV率（b）。
我们通过SPEC-OCCU分析，以检查ASV在不同栖息地类型的分布以及它们在每个栖息地中的特异性和占用率水平。在根际细菌群落中，在火山土壤中发现了288种必需的ASV，在非火山土壤中发现了297种。已鉴定的分类群主要来自放线菌门、变形菌门和酸杆菌门。（放线菌门：43.1% ：39.1%；变形菌门：16.3%：22.9%；酸杆菌：17.0% ：16.2%）。在真菌群落中，在SV中鉴定了393个关键分类群，在SN中鉴定了 202 个，主要属于子囊菌门和担子菌门（子囊菌门：53.9%：59.4%；担子菌门：16.8%：12.4%）。
图3. 生态系统多功能性与细菌（a）和真菌（b）群落之间的关联。
我们评估了微生物组成与特定生态系统功能之间的联系。变形菌门、芽单胞菌门和拟杆菌门与生态系统多功能性呈很强的正相关关系。厚壁菌门与SOC功能呈显著负相关。在真菌群落中发现了更显著的相关性。AP、BG、SOC和SNP函数与真菌群落呈显著负相关，而NAG、PH和TN 函数呈强正相关。有趣的是，在真菌群落中占主导地位的子囊菌门显示出与其他门相反的相关性。为了更深入地了解微生物群落的组成与生态系统的多功能性之间的联系，我们创建了一个共现网络，显示了核心ASV和特定生态系统功能的相对丰度。在非火山土壤中，TN、AP、SOC和生态系统多功能性分别与8种细菌 ASV和14种真菌ASV呈正相关。BG和pH功能仅与真菌ASV相关。然而，BG和NAG仅与火山土壤中的细菌ASV呈正相关。SOC与数量最多的ASV、22例细菌ASV和36例真菌ASV呈正相关。
总结：结果表明，非火山根际土壤具有较高的细菌多样性;火山区以真菌多样性为主。微生物的拷贝数以及C和P循环相关功能基因（cbbLR和phoD）的拷贝数在两种类型的样点之间显著差异。此外，真菌群落的核心微生物较多，与生态系统多功能性的关系更密切。网络复杂性和alpha多样性对狗尾巴草根际土壤没有显着影响。研究结果对火山环境中根际微生物的多样性和结构具有重要意义。这也为探索火山植物根际土壤特性与核心微生物以及生态系统的多功能性之间的关系提供了新的视角。
作者介绍
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、Environmental Research和Rhizosphere发表论文3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），授权及申请专利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。
陈金（通讯作者）：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。
