網路分析和後續培養揭示了參與微生物凋落物分解動力學的關鍵類群

文獻解讀

原名：

Network analysis and subsequent culturing reveal keystone taxa involved in microbial litter decomposition dynamics

譯名：

網路分析和後續培養揭示了參與微生物凋落物分解動力學的關鍵類群

期刊：

Soil Biology and Biochemistry

IF：

8。5

發表時間：

2021。6

通訊作者：

徐陽春

主要單位：

南京農業大學資源與環境科學學院

一、研究背景

土壤中植物凋落物的分解由定殖在凋落物殘體上的細菌和真菌等微生物驅動，因此，細菌和真菌群落的相互作用可以揭示木質素的分解機制。以往的研究主要是在微生境、異地條件或單一土壤生態系統中研究凋落物分解的微生物群落。而本研究透過為期12周的室內凋落物（秸稈）分解實驗，

探討三種不同利用型別（林地、農田和棄耕地）的土壤中凋落物分解與酶活性和微生物群落變化的關係。本研究發現：

（1）三類土壤中林地凋落物的分解程度最高；（2）然後，我們用多種方法證明了這是由微生物群落決定的，林地土壤微生物群落具有更高活性的木質素分解酶，更高的微生物多樣性，以及不復雜但更專門化的網路。細菌中的Chryseobacterium（金黃桿菌屬）和真菌中的Fusarium（鐮刀菌屬）、Aspergillus（麴黴菌屬）、Penicillium（青黴菌屬）是三類土壤微生物網路中的關鍵類群；（3）我們隨後開展了分離培養實驗，進一步證實了這些關鍵類群具有高的凋落物分解能力和酶活性。

本研究首次驗證了微生物關鍵類群在凋落物分解中的作用，網路分析與培養實驗的結合被證明是篩選微生物關鍵類群的可選模式。

總體而言，我們的結果說明，土地利用型別透過土壤微生物群落的組成和網路結構進而影響凋落物的分解。我們的研究還揭示了特定的關鍵微生物類群參與了凋落物的分解，未來或許可以利用這些關鍵類群來調控土壤生態系統中木質素的分解。

二、研究結果

1。 凋落物分解及其質量的變化隨著時間的推移，土地利用型別對凋落物分解有明顯影響，在第2周和第12周，林地的凋落物分解率最高，而棄耕地的凋落物分解率最低。在第12周後，林地、農田和棄耕地凋落物的分解率分別達到63。42%、53。75%和50。38%（圖1-a）。林地凋落物分解常數顯

著

高於耕地和棄耕地。土地利用型別和時間對凋落物分解都有顯著影響。不同土地利用型別的凋落物組成也有顯著變化（圖1 b-d）。土地利用型別和時間都會影響凋落物質量的變化。

圖1。 林地、農田和棄耕地凋落物分解及質量變化

2。 酶活性的變化不同土地利用型別的纖維二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶、β-木聚糖酶和漆酶的活性也存在顯著差異（圖2 a-d）。在整個取樣期間（包括初始時間），林地中的所有酶活性均顯著高於農田和棄耕地，但是每種酶的活性表現出不同的趨勢。四種酶活性的總酶活性（Z-score）顯示：林地的總酶活性顯著高於其他兩個位點（圖S3）。木質素酶活性與凋落物分解呈顯著的正相關關係（P<0。001，圖2-e）。具體而言，β-葡萄糖苷酶與三種土壤的纖維素和半纖維素顯著相關。漆酶與木質素也顯著相關。土地利用型別和時間都顯著影響凋落物質量的變化。這些結果表明，三種土壤的凋落物分解與相關酶活性之間存在很強的相關性。

圖2。 林地、農田和棄耕地中（a）纖維二糖水解酶、（b）β-葡萄糖苷酶、（c）β-木聚糖酶和（d）漆酶的變化。（e）四種纖維素酶活的總和（Z-score）與凋落物分解的關係

3。 凋落物分解過程中微生物群落的演替細菌和真菌群落都隨時間顯著變化。富集培養2-12周後，秸稈表面的微生物群落與初始樣品（未培養前）的微生物群落明顯不同。在前期和後期，林地土壤的細菌總量（絕對丰度）都顯著高於農田和棄耕地（圖3-a）。凋落物開始分解後，細菌的OTU豐富度立即下降（圖3-c），表明摻入秸稈後來自土體的細菌群落開始發揮作用（分解秸稈）。隨著分解的進行，細菌OTU豐富度隨時間增加，在第6周和第8周達到最高，然後再下降（圖3-c）。林地土壤的細菌群落與農田和棄耕地土壤的細菌群落不同（圖3-e），並且這些差異在整個取樣期間都十分明顯。凋落物分解過程中的優勢細菌門為變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）和綠彎菌門（Chloroflexi）（圖3-g）。三種土壤中這些優勢菌門的變化趨勢不同。另外，在林地中，只有細菌的β多樣性（PCoA1）與木質素呈顯著負相關關係。這些結果表明，在凋落物分解過程中細菌群落隨不同生態系統型別（土壤型別）而變化。一般來說，真菌群落只受土壤型別的影響。在所有時間點，林地真菌的絕對丰度顯著高於農田和棄耕地（圖3-b）。與細菌群落類似，在第2周真菌的OTU豐富度顯著下降（圖3-d）。在第2周和第6周，林地真菌的OTU丰度顯著高於其他兩種土壤（圖3-d）。林地真菌的群落結構與農田和棄耕地也顯著不同（圖3-f），這種差異在第0、2、6和12周的表現一致。凋落物分解過程中（包括三種土壤和所有采樣時間）的優勢真菌門為子囊菌門（Ascomycota）和擔子菌門（Basidiomycota）（佔總序列的70-99%；圖3-h）。在第4周和第6周，擔子菌門（Basidiomycota）在農田和棄耕地中占主導地位，包括Coprinopsis和Psathyrella屬。

圖3。 凋落物分解實驗（12周）中，林地、農田和棄耕地土壤細菌和真菌的總丰度、多樣性、群落結構及分類的變化

4。 微生物共生網路及關鍵類群三種土壤的網路複雜度差異較大。與農田和棄耕地相比，林地微生物網路的複雜度較低（圖4-a和b）。棄耕地的微生物網路最為複雜，其邊數、平均度和聚類係數均高出（林地微生物網路）2倍（圖4-b）。關鍵微生物類群主要屬於細菌中的放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）和變形菌門（Proteobacteria），以及真菌中的子囊菌門（Ascomycota）。刪去關鍵類群OTU後，我們重構了三種土壤的共生網路，以評估其對網路的影響。結果表明，如果沒有關鍵類群的OTU，微生物網路就會變得更簡單。為了進一步驗證這些關鍵類群，我們將篩選出60個關鍵類群OTU與可培養的34株細菌和17株真菌菌株進行了系統發育地位匹配。結果顯示，60株中有5株為可培養的菌株，其中林地（TU3451，Penicillium sp。ZJ-F2；TU3409，Fusarium sp。ZJ-F3）、農田（OTU10384，Chryseobacterium sp。QL-B4；TU84，Aspergillus aculeatus QL-F3）和棄耕地（TU1317，Aspergillussp。BG-F2）（圖4-b）。

圖4。三類土壤中細菌和真菌OTUs共生網路

5。 潛在關鍵物種的（凋落物）分解效能。我們進一步對這5個關鍵菌株（Penicillium sp。ZJ-F2、Fusariumsp。ZJ-F3、Chryseobacterium sp。QL-B4、Aspergillusaculeatus QL-F3、Aspergillus sp。BG-F2）的凋落物分解能力進行了評估。結果發現，來自林地的Penicillium sp。ZJ-F2菌株的凋落物分解能力顯著高於其他兩種型別的土壤（圖5-a）。此外，Fusariumsp。 ZJ-F3菌株和Aspergillussp。BG-F2菌株的凋落物分解能力顯著高於Chryseobacterium sp。QL-B4和Aspergillusaculeatus QL-F3菌株（圖5-a）。Penicillium sp。 ZJ-F2菌株還具有最高的纖維二糖水解酶、β-木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶和漆酶活性（圖S13）。用Z-score計算四種酶活的總活性，結果發現：Penicilliumsp。 ZJ-F2菌株的Z-score最高、凋落物分解能力最強；Chryseobacterium sp。QL-B4的Z-score最低、凋落物分解能力最差（圖5-b）。相關性分析進一步證實了凋落物分解與關鍵類群（凋落物分解與Z-score值正相關）之間的相關性（圖5-c）。這些結果表明，可透過構建共生網路初步篩選潛在的關鍵微生物類群以進一步探索相關的微生物功能。

圖5。秸稈液體發酵實驗（7天）中，凋落物分解的關鍵類群和四種纖維素酶活的總和（Z-score）

三、結論

在凋落物分解過程中，木質素分解酶活性、微生物群落結構和共生模式（網路）發生了變化，這些變化受土地利用型別的影響。具體而言，林地土壤凋落物分解程度較高的原因是木質素降解酶活性較高、微生物多樣性較高、微生物網路不那麼複雜但更為專門化。因此，

我們的結果表明

，土地利用型別影響的土壤微生物演替介導的土壤凋落物分解。基於共生網路分析和後續的分離培養實驗，我們確定了土壤凋落物分解相關的關鍵類群。這些類群表現出很強的凋落物分解能力和酶活性。網路分析與培養實驗的結合是篩選微生物關鍵類群的可選模式。此外，強調了透過網路評分確定的關鍵分類群可以透過培養篩選來表徵。此外，這是一次利用統計經驗驗證微生物工程和代謝模型中關鍵類群的成功嘗試。

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