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摘要：农业导致当地物种多样性下降，地上和地下生物同质化。本文使用1185个土壤样本进行了大陆性调查，并比较了来自自然生态系统(森林、草原、湿地)和转换的农业用地的微生物群落。将大陆调查结果与一项全球荟萃分析相结合，对现有的测序数据进行了分析，涵盖了6个大陆的2400多个样本。研究结果表明，土地转化为农业用地导致土壤细菌的分类和功能均一化，这主要是由农田中分类单元地理范围的增加所驱动的。此项研究结果为土地利用变化对土壤微生物分类和功能多样性的影响提供了一个全球性的见解。
关键词：土地利用；土壤微生物
文 章 信 息
译名：土地转变为农业导致全球土壤微生物群落的分类学均一化
发表时间：2024年5月29日
期刊影响因子：14.7（2024）
第一单位：作物抗逆高效生产国家重点实验室
通讯单位：作物抗逆高效生产国家重点实验室
文 章 亮 点
1.将大陆调查结果与全球荟萃分析相结合
2.探索了不同土壤和气候类型下土壤微生物组分类和功能对农业转化响应的一般模式
文 章 简 介
1 研究意义
随着人类活动和农业集约化程度的提高，越来越多的研究表明，生态群落在不同的空间维度上正在发生根本性的变化。大多数研究土地利用变化和农业扩张对生态群落的影响的研究，主要集中在当地的物种多样性。这些研究与强调全球生物多样性丧失和物种灭绝的损失有关。然而，农业转型除了降低当地物种多样性外，还在更大的空间尺度上造成了生物同质化，对生态系统服务和保护提出了重大关切。迄今为止，土地利用和农业转型对生物同质化的影响主要集中在地上生境，对地下群落的关注有限。关于农业引起的地下群落生物均一化的信息对于区域生物多样性规划和保护至关重要。2 研究方法
（1）大陆范围的土壤调查
样本采集：研究团队在中国的44个地区进行土壤样本采集，选择了农业用地及其相邻的自然生态系统（如森林、草地和湿地）。每个生态系统的样本距离农业用地约2公里，以保证气候和土壤类型的一致性。样本数量：共采集了1185个土壤样本，形成856对样本，其中包括303对森林-农田样本、275对草地-农田样本和278对湿地-农田样本。采样时间：样本在2019年7月和8月的作物生长季节采集，以减少时间对样本的影响。样本处理：土壤样本经过筛分，去除植物根系、碎石和其他杂物后，分为两部分，一部分冷冻保存用于DNA提取和微生物分析，另一部分空气干燥用于测量土壤物理和化学性质。（2）全球范围的元分析
文献检索：研究团队对2013年至2023年间的文献进行了广泛的检索，使用关键词如“土地利用变化”和“农田”等，最终筛选出75篇符合条件的研究，涉及超过6000个样本的测序数据。数据处理：对下载的原始数据进行质量控制和处理，最终得到3482个样本的ASV（扩增子序列变体）数据集，用于后续分析。（3）数据分析
微生物群落分析：使用16S rRNA基因和ITS（内部转录间隔）扩增子测序技术分析土壤微生物群落的多样性和组成。功能基因分析：通过宏基因组测序分析微生物群落的功能潜力，重点关注与碳、氮和磷循环相关的功能基因。统计分析：使用线性混合效应模型（LMM）分析农业影响对微生物分类和功能组的相对丰度的影响，利用主坐标分析（PCoA）和PERMANOVA检验不同生态系统之间的差异。（4）生态过程估计
生态过程的定量估计：通过β-最近亲缘指数（βNTI）和Raup–Crick（RC Bray）分析，定量评估社区组成的空间周转受选择、漂变、分散限制和均质化分散的影响。3 研究结果
3.1农业导致分类学和功能谱的生物同质化
通过对1185个土壤样本的大陆范围调查和2400多个样本的全球元分析，研究发现农业转化显著降低了土壤微生物的分类和功能多样性，表现为土壤微生物群落的同质化。在农业用地中，20%的分类群减少，23%的分类群增加，尤其是Chloroflexi、Gemmatimonadota、Planctomycetota、Myxoccota和Latescibacterota等类群在农田中相对丰度增加。![]()
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3.2农业对特定细菌系统发育和功能的影响
农田土壤微生物群落在分类学组成上与天然林、草地和湿地土壤存在显著差异。这些差异在门、纲、目和系统发育型水平上都很明显。农田和湿地( PERMANOVA ; R2 = 0.060 , P < 0.001)之间的分类组成差异最大，其次是农田和森林( PERMANOVA ; R2 = 0.052 , P < 0.001)之间的比较，以及农田和草地( PERMANOVA ; R2 = 0.038 , P < 0.001)之间的比较。具体来说，农业影响显著改变了几乎所有地点的微生物组成( PERMANOVA ; P < 0.05)，除了农田和草地的37个地点中的2个。Chloroflexi, Gemmatimonadota,
Planctomycetota, Myxcoccota 和 Latescibacterota的相对丰度在农田中相对于所有3个自然生态系统都有所增加，表明这些类群在广泛的生境类型中对农业转化表现出一致的响应。此外，在生态系统之间，优势类群丰度的变化主要与土壤pH和水分有关。![]()
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3.3细菌群落变化的机制
（1）微生物特性：特定的微生物特性（如休眠潜力和分散能力）影响其在土地利用变化中的生存和适应能力。研究发现，具有孢子形成能力的细菌（如厚壁菌和放线菌）在农业土壤中的丰度较低，这与其在环境压力下的生存策略有关。
（2）选择压力与环境过滤：农业转化导致的均质化环境条件（如土壤pH、湿度和营养物质）对微生物群落的组装过程产生了显著影响。研究表明，农业环境中，微生物群落的组装过程受到更强的环境过滤作用，导致群落组成的相似性增加。
（3）均质选择：通过β-最近亲缘指数（βNTI）和Raup–Crick（RC Bray）分析，发现农业转化增强了均质选择，即在农业环境中，微生物群落的组装过程受到更强的环境过滤影响，导致群落组成的同质化。
（4）生物相互作用：土壤真菌（如腐生真菌和植物病原真菌）与细菌群落之间的相互作用也在细菌群落的变化中起到了重要作用。真菌的丰富度变化可以直接影响细菌的组装过程。
（5）环境因素的影响：土壤pH、湿度和氨氮含量等环境因素对细菌群落的组成和功能有显著影响，表明环境过滤和生物相互作用共同影响了农业转化下的细菌群落变化。
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3.4细菌群落与土壤功能之间的联系
农田和自然生态系统中参与碳、氮、磷循环的土壤酶功能存在差异，土壤酶功能与微生物组成的关联在不同微生物类群之间也存在差异。拟杆菌门( Bacteroidota )的相对丰度与土壤功能和5种酶中4种酶的活性呈正相关，芽单胞菌门( Gemmatimonadota )的相对丰度与β - 1，4 -葡萄糖苷酶( BG )和β - D -纤维二糖苷酶( CBH )呈正相关，与β - 1，4 -乙酰氨基葡萄糖苷酶( NAG )和碱性磷酸酶( APP )呈负相关4 主要结论
（1）生物同质化：农业转化显著降低了土壤微生物的β多样性，表明农田土壤的微生物群落在分类上比自然生态系统（如森林、草原和湿地）更为相似。这种同质化现象在全球范围内普遍存在。
（2）微生物分类变化：在农业转化过程中，约20%的微生物类群丰度下降，而23%的类群丰度上升。农业土壤中，某些细菌门（如Chloroflexi、Gemmatimonadota、Planctomycetota等）的丰度显著增加。
（3）功能组成变化：尽管自然生态系统与农业土壤在功能组成上没有显著差异，但农业转化导致与氮固定、磷矿化和运输相关的功能基因在农田中减少。这表明农业管理可能削弱了土壤的某些生态功能。
（4）生态过程的影响：农业转化通过改变土壤的环境条件（如pH、湿度和营养物质）和生物相互作用，影响微生物群落的组装过程，导致微生物群落的同质化。
（5）对生态系统服务的影响：农业引起的生物同质化可能会导致生态系统服务的退化，威胁到可持续管理。因此，保护和恢复农业土地的生态多样性是非常重要的。
Reference:
Peng, Z., Qian, X.,
Liu, Y. et al. Land conversion to agriculture induces taxonomic
homogenization of soil microbial communities globally. Nat Commun 15,
3624 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47348-8
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生李梓歆
