SBB：網路分析和培養組學共同揭示參與秸稈降解的關鍵微生物類群

近日，凌恩生物客戶

南京農業大學

在中科院一區Soil Biology and Biochemistry（IF=7。609）期刊發表題為“Network analysis and subsequent culturing reveal keystone taxa involved in microbial litter decomposition dynamics”的研究論文（Doi： 10。1016/j。soilbio。2021。108230）。

研

究

背

景

土壤中植物凋落物的分解受細菌和真菌等微生物控制，這些微生物在分解過程中定居在木質纖維素殘留物中，因此，探究細菌和真菌群落之間的相互作用有助於我們深入瞭解木質纖維素的分解動力學特徵。

實

驗

設

計

在中國南京的三個地點進行了秸稈降解實驗。紫金山：林地；秦嶺鎮：七年稻田；八卦鎮：廢棄農田。

土壤理化因子檢測結果如下：

研

究

結

果

01

秸稈降解動力學特徵和酶活性

土地利用方式隨時間推移對凋落物分解具有明顯影響，其中林地表現出最高的秸稈降解率，而廢棄的農田在第2周和第12周具有最低的凋秸稈降解。

圖1 不同土地利用方式下秸稈降解率及其組分變

這三個土地中4種木質纖維素降解酶活性（纖維二糖水解酶，β-葡萄糖苷酶，β-木聚糖酶和漆酶）差異顯著，林地中所有酶的活性均顯著高於農田和廢棄農田中的酶活性。三種土地利用型別的秸稈分解與相關酶活性之間有很強的聯絡，這也解釋了為何林地中秸稈降解最快。

圖2 不同土地利用方式下纖維二糖水解酶（a）、β-葡萄糖苷酶（b）、β-木聚糖酶（c）和漆酶（d）活性變化

02

秸稈降解過程中微生物群落的演替

細菌和真菌群落均隨時間顯著變化。早期（第2、4周），林地總細菌絕對丰度明顯高於農田和廢棄農田。秸稈降解開始後，各土壤中的細菌和真菌OTUs的豐富度立即下降，說明周圍土體裡的一些微生物類群被富集起來降解稻稈。所有樣品中的Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria和Chloroflexi是優勢菌門。

土地利用方式僅對真菌群落有影響。從第2周到第6周，林地中的總體真菌絕對丰度顯著下降，而從第8周到第12周則顯著增加。在所有時間點，林地中的真菌絕對丰度均顯著高於農田和荒地中的真菌絕對丰度。

每種土地利用方式下的每個時間點，微生物演替、酶活性和秸稈降解動力學之間的相關性都不同。

圖3 不同土地利用方式下細菌和真菌的總體丰度（a-b）、多樣性（c-d）、群落結構（e-f）和分類組成（g-h）的變化

03

共發生網路和keystone物種

三種土地型別的網路複雜性差異很大。與稻田和廢棄農田相比，林地中的微生物群落網路複雜程度較低，邊較少（3368），平均程度較低（16。84），平均聚類係數較低（0。63）。廢棄農田中的網路最為複雜，邊、平均程度和聚類係數更高。

為驗證經網路分析確定的keystone關鍵類群功能，我們將培養結果與網路分析結果進行匹配，確定了5個可培養菌株：林地中的TU3451（

Penicillium sp

。 ZJ-F2）和TU3409（

Fusarium sp

。 ZJ-F3）、農田中的OTU10384（

Chryseobacterium sp

。 QL-B4）和TU84（

Aspergillus aculeatus

QL-F3）、廢棄農田中的TU1317（

Aspergillus sp

。 BG-F2）（圖4b）。

圖4 不同土地利用方式下共生細菌和真菌OTU網路（a）、共生網路引數與關鍵物種（b）

04

後續培養組學驗證潛在關鍵物種的秸稈降解能

研究通過後續分類培養，獲得了降解纖維素的34種細菌和17種真菌。評估了五種主要菌株的降解秸稈能力。來自林地的ZJ-F2具有比來自其他兩個地點的菌株具有明顯更高的秸稈降解能力。另一株菌株ZJ-F3對秸稈的降解能力與菌株BG-F2相似，而其降解效果優於菌株QL-B4和菌株QL-F3。

秸稈降解分解與總酶指數之間的正相關進一步證實了秸稈降解與關鍵微生物類群之間的聯絡。林地中具有降解秸稈能力較強的關鍵微生物。

這些結果表明，共發生網路可用於推定關鍵微生物類群，以進一步篩選並將它們與微生物組功能聯絡起來。

圖5 潛在關鍵物種與秸稈液體發酵降解7天后的秸稈降解（a）、總酶指數（b）、秸稈降解率與木質纖維素降解酶活性之間的線性迴歸（c）

總之，研究結果表明，在秸稈降解過程中，木質素分解酶活性、微生物群落結構和共生模式均發生了變化，這些模式主要受土地利用方式驅動。林地土壤中秸稈降解效率更高與更高的木質素分解酶活性、更大的微生物多樣性以及更簡單但更特殊的微生物網路有關，並且具有一些參與降解的關鍵微生物類群。此外，利用培養組學驗證的關鍵菌群進行代謝建模和微生物組工程具有重要意義。

參考文獻：

Network analysis and subsequent culturing reveal keystone taxa involved in microbial litter decomposition dynamics。 Soil Biology and Biochemistry， 2021。

Doi： 10。1016/j。soilbio。2021。108230