基于分子生态学网络探究亚高山草甸退化对土壤微生物群落的影响.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金项目()山西省高等学校人文社会科学重点研究基地项目()山西省高等学校科技创新项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.罗正明刘晋仙赫磊周妍英李眉红郑庆荣柴宝峰.基于分子生态学网络探究亚高山草甸退化对土壤微生物群落的影响.生态学报():.():.基于分子生态学网络探究亚高山草甸退化对土壤微生物群落的影响罗正明刘晋仙赫 磊周妍英李眉红郑庆荣柴宝峰 忻州师范学院地理系忻州 山西大学黄土高原研究所黄土高原生态恢复山西省重点实验室太原 山西省林业和草原工程总站 太原 山西省五台山国有林管理局繁峙 摘要:土壤微生物群落在草地生态系统功能中发挥着至关重要的作用但目前尚不清楚微生物群落的分子生态网络如何响应亚高山草甸退化 以五台山 个不同退化阶段(未退化、轻度退化、中度退化和重度退化)亚高山草甸为研究对象利用高通量测序和随机矩阵网络构建理论构建土壤微生物群落分子生态网络 探讨草地退化对亚高山草甸土壤微生物群落结构及网络的影响不同退化程度下微生物网络结构中的关键微生物变化规律以及该过程中微生物之间的互作关系 研究结果表明不同退化程度亚高山草甸土壤微生物(细菌、真菌和细菌真菌)网络拓扑属性存在差异 总体上退化增加了土壤细菌内部、真菌内部以及细菌真菌群落间的相互作用导致其网络结构更为复杂 未退化草甸土壤微生物网络具有较长的平均路径距离和较高的模块性使其比退化草甸更能抵抗外界环境的变化在应对人为干扰或者气候变化时可能具有更高的稳定性 退化草甸中的网络关键物种(模块枢纽和连接器)与未退化草甸明显不同 土壤含水量和 与亚高山草甸土壤细菌、真菌以及整个微生物网络连通度均显著相关(.)总氮和硝氨态氮含量与土壤真菌和微生物网络连通度呈显著相关(.)亚高山草甸退化导致土壤微生物种间关系改变进而改变土壤微生物整体生态网络关键词:退化草地亚高山草甸土壤微生物分子生态学网络 :.()()():/.().().().(.)(.且.)、模块枢纽(.且.)、连接节点(.且.)和外围节点(.且.)用相同的网络数据(相同的节点和连接数)构建随机网络比较随机网络和分子生态网络之间的差异 结果与分析.土壤微生物群落分子生态网络模型的拓扑学属性基于高通量测序数据分别构建了 个不同退化程度亚高山草甸(、和)土壤细菌群落分子生态网络(相关性阈值均为.图)、土壤真菌群落分子生态网络(相关性阈值均为.图)以及土壤微生物(同时包含细菌和真菌)群落分子生态网络(相关性阈值均为.图)构建的网络均体现了网络的无尺度特征、小世界特征以及模块化特征随着退化程度增加细菌群落网络节点数、连接数、正相关连线的比例、平均连接度和连通度呈增加的趋势而平均路径距离和模块性呈降低的趋势(图 和表)与 草甸的模块数(个)相比 和 草甸中没有明显的变化(分别为 和 个)而 中的模块数增加到 个 从土壤真菌群落分子生态网络可知(图 和表)随着退化程度增加网络总节点数变化不明显总连接数、正相关连线的比例、平均连接度、连通度和随机网络聚类系数呈增加的趋势而模块数、平均路径距离、模块性、随机网络平均路径距离和随机网络的模块性呈降低的趋势 在退化的过程中土壤细菌和真菌群落的整体结构发生了明显变化生 态 学 报 卷:/.图 不同退化程度亚高山草甸土壤细菌群落的系统发育分子生态网络.():未退化草甸 :轻度退化草甸 :中度退化草甸 :重度退化草甸 红线表示正相关绿线表示负相关:酸杆菌门:放线菌门:拟杆菌门:绿菌门:绿弯菌门:厚壁菌门:芽单胞菌门:匿杆菌门:硝化螺旋菌门:浮霉菌门:变形菌门:糖细菌门其他:其他相对丰度小于 细菌门从土壤细菌真菌群落分子生态网络可以看出亚高山草甸退化对土壤细菌真菌群落之间的共现性模式产生重要影响 网络拓扑性质的分析表明与 草甸相比退化草甸中节点数、连接数、正相关连线比例、平 期 罗正明 等:基于分子生态学网络探究亚高山草甸退化对土壤微生物群落的影响:/.表 不同退化程度亚高山草甸土壤细菌群落分子生态网络拓扑属性 拓扑属性 总节点 总连接线数 模块数 正相关关系 /.负相关关系 /.指数分布相关系数平方 .平均连接度 .平均聚类系数 .模块性.连通性.平均路径距离 .随机网络平均聚类系数 .随机网络平均路径距离 .随机网络的模块性 .:未退化草甸 :轻度退化草甸 :中度退化草甸 :重度退化草甸 图 不同退化程度亚高山草甸土壤真菌群落的系统发育分子生态网络.()红线表示正相关绿线表示负相关:子囊菌门:担子菌门:壶菌门:球囊菌门:罗兹菌门:接合菌门其他:其他相对丰度小于 真菌门均连接度和随机网络聚类系数增加而模块性、平均路径距离、随机网络平均路径距离和随机网络的模块性降低(图 和表)由表 和图 可知细菌群落内部的相互作用占主导地位(正相关比例.负相关比例.)远高于细菌真菌群落之间的相互作用(正相关比例.负相关比例.)和真菌群落内部的相互作用(正相关比例.负相关比例.生 态 学 报 卷:/.)与 草甸相比 和 草甸土壤细菌群落内部、真菌群落内部以及细菌真菌群落之间的正相关作用更强而细菌群落内部、真菌群落内部以及细菌真菌群落间负相关作用较弱(表)表 不同退化程度亚高山草甸土壤真菌群落分子生态网络拓扑属性 拓扑属性 总节点 总连接线数 模块数 正相关关系 /.负相关关系 /.指数分布相关系数平方 .平均连接度 .平均聚类系数 .模块性.连通性.平均路径距离 .随机网络平均聚类系数 .随机网络平均路径距离 .随机网络的模块性 .表 不同退化程度亚高山草甸土壤微生物群落分子生态网络拓扑属性 拓扑属性 总节点 总连接线数 模块数 正相关关系 /.负相关关系 /.指数分布相关系数平方 .平均连接度 .平均聚类系数 .模块性.连通性.平均路径距离 .随机网络平均聚类系数 .随机网络平均路径距离 .随机网络的模块性 .表 不同退化程度亚高山草甸土壤微生物互作网络中相互作用特征 草甸细菌间正相关(占比)()细菌与真菌正相关数量(占比)()真菌间正相关(占比)()细菌间负相关(占比)()细菌与真菌负相关(占比)()真菌间负相关(占比)()(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)期 罗正明 等:基于分子生态学网络探究亚高山草甸退化对土壤微生物群落的影响:/.图 不同退化程度亚高山草甸土壤微生物群落的系统发育分子生态网络.()红线表示正相关绿线表示负相关:酸杆菌门:放线菌门:拟杆菌门:绿菌门:绿弯菌门:厚壁菌门:芽单胞菌门:匿杆菌门:硝化螺旋菌门:浮霉菌门:变 形 菌 门:糖 细 菌 门:疣 微 菌 门:子 囊 菌 门:担 子 菌 门:壶菌门:球囊菌门:罗兹菌门:接合菌门.不同退化程度亚高山草甸土壤微生物分子生态网络的模块和关键节点从图 可知 草甸土壤微生物(包括细菌和真菌)分子生态网络中包含 个模块枢纽和 个连接器生 态 学 报 卷:/.其中模块枢纽为短波单胞菌属()(变形菌门)、叶杆菌属()(变形菌门)和赤霉菌属()(子囊菌门)连接器为 和 分别属于放线菌门和变形菌门 草甸分子生态网络中包含 个模块枢纽(硝化螺旋菌属()、亚硝化螺菌属()均属于硝化螺旋菌门 个连接器为角菌根菌属()和粪壳属()分别属于担子菌门和子囊菌门 草甸中包括 个模块枢纽(鞘脂单胞菌属()和)和 个连接器(异茎点霉属()、光黑壳属()、属和 属)草甸有 个模块枢纽(芽孢杆菌属()、黄单胞菌属()和)和 个连接器(头梗霉属)图 不同退化程度亚高山草甸土壤微生物网络的拓扑角色.影响土壤微生物分子生态网络结构的环境因子为了分析微生物分子生态网络与环境因子的关系对连通度与土壤理化性质和植被参数进行皮尔森相关分析(表)结果表明土壤含水量和 与亚高山草甸土壤细菌、真菌以及整个微生物(含细菌和真菌)网表 环境因子与网络连通度的皮尔森相关系数 环境变量 细菌网络 真菌网络 微生物(含细菌和真菌)网络()土壤含水量 .酸碱度.总氮 .总碳 .碳氮比/.有机质 .铵态氮.植物盖度 .植物高度 .植物丰富度指数 .植物 指数 .期 罗正明 等:基于分子生态学网络探究亚高山草甸退化对土壤微生物群落的影响:/.络连通度均显著相关(.)总氮和氨态氮含量与土壤真菌和微生物网络连通度呈显著相关植被参数(包括植物盖度、高度、丰富度和 指数)均与土壤细菌和真菌网络连通度显著相关(.)总碳含量仅与整个微生物网络连通度显著相关(.)碳氮比和土壤有机质含量仅与土壤细菌网络显著相关(.)综合考虑土壤含水量、总氮和铵态氮在决定亚高山草甸退化过程中土壤微生物网络互作关系方面起到重要作用 讨论本研究利用扩增子高通量测序和微生物群落分子生态学网络分析方法研究亚高山草甸退化对土壤细菌和真菌群落网络结构的影响发现微生物(细菌、真菌和细菌真菌)分子网络的拓扑学属性受到草地退化的影响不同退化程度亚高山草甸土壤微生物网络拓扑属性存在明显的差异 总体来说表明草地退化增加了土壤细菌内部、真菌内部以及细菌真菌群落间的相互作用导致其网络结构更为复杂 随着草地退化程度增加土壤微生物网络模块性下降平均路径距离缩短稳定性下降暗示退化草地中土壤微生物群落的抵抗外界干扰的能力下降 这说明草甸退化过程中土壤微生物群落复杂性与稳定性解耦合这与宏观生态学中观察到的并不一致即麦克阿瑟提出的生态系统的复杂性决定其稳定性 周集中团队最近一项研究发现长期实验变暖下草地土壤微生物群落分子生态网络变得更加稳健网络的稳定性与网络的复杂性密切相关但更高的复杂性也会破坏生态系统的稳定性 然而本研究很好地支持了 等人的研究结论认为生态系统复杂性的增加将削弱系统的稳定性更大环境压力胁迫下的微生物群落具有较低的网络稳定性 本研究中随着草地退化程度增加环境压力增加微生物群落物种间正相关作用更强这可能是由于在草地退化环境压力下土壤微生物拮抗作用的减弱和环境过滤作用的增加导致环境胁迫的负、正相关聚集性的比例降低 这与一些理论研究推测一致网络中模块化和负相关关系的存在增加了网络在扰动下的稳定性 如果群落中有相当比例的微生物菌群是通过正相关联系在一起的那么这个群落就被认为是不稳定的 在这样的群落中菌群可能会对环境波动做出同步反应从而产生正反馈和共同波动 相反负相关可以稳定群落随干扰的波动促进网络的稳定性 虽然微生物群落中正相关优势的增加或负相关的减少可以单独破坏群落的稳定但高环境压力下的低模块化可能会加剧这些后果 高环境压力胁迫下的低模块性表明物种之间的跨模块关联可能比低环境压力胁迫下更为普遍低模块化则意味着主要的正反馈回路所遇到的任何扰动都更容易传播到其他微生物群落 因此在退化程度高的草甸中土壤微生物群落具有物种丰富度较低、模块性较低和负相关联系比例较低的特征 当外界环境发生扰动时能在很短的时间内将环境扰动传递到整个网络导致网络结构不稳定并且这种不稳定的微生物网络结构可能导致参与土壤碳、氮等养分循环的微生物群落发生显著改变从而影响草地生态系统的功能鉴于微生物群落的复杂性、多样性以及含有大量未培养微生物找出微生物群落中的关键物种十分困难 在本研究中识别土壤微生物的关键物种是基于网络拓扑结构和模块组成 本研究中构建的土壤微生物网络中均未发现网络枢纽因此将模块枢纽和连接器节点作为网络中的关键物种 微生物网络模型中的关键物种主要属于变形菌门、酸杆菌门和担子菌门 变形菌门中的许多物种在生态系统中发挥着关键作用例如氧化有机和无机化合物或从光中获取能量促进能量和营养物质在细菌之间的流动 许多研究表明酸杆菌是一种适合在恶劣环境中生存的寡营养型生物该类群具有广泛的代谢多样性对纤维素的降解能力在寒冷地区特别突出 担子菌富含木质纤维素酶能分解木质纤维素促进营养物质和能量的流动 这可能是它们成为网络关键物种的原因之一 草甸中 个模块枢纽硝化螺旋菌属和亚硝化螺菌属其中硝化螺旋菌被认为是亚硝酸盐氧化细菌硝化作用()的主要参与者 草甸中一个连接器为角菌根菌属属于一种内生真菌能够促进宿主植物对矿物质的吸收和干物质的累积 另一个连接器粪壳属被发现主要参与植物凋落物分解随着凋落物的增加其相对丰度显著增加 草甸中的模块枢纽鞘脂单胞菌属能够在寡营养等恶劣的条件生存并能代谢各种碳源 光黑壳属是 草甸中的连接器主要从土壤生 态 学 报 卷:/.和植物残体中分离出来并被证明具有较强的抗菌活性且随着营养条件的下降光黑壳属会有明显的竞争优势 草甸的模块枢纽芽孢杆菌属为革兰氏阳性杆菌可形成芽孢对不良环境条件有很强的抵抗力已有 种以上芽孢杆菌表现出了重金属污染土壤修复功能 头梗霉属是 草甸中的连接器经常被发现为严重的植物病原体容易导致植物病害的发生并进一步加剧草地退化本研究发现土壤含水量、总氮和铵态氮在决定亚高山草甸退化过程中土壤微生物网络互作关系方面起到重要作用 前期研究发现 值和铵态氮随亚高山草甸退化程度增加而增加而土壤含水量和总氮随着退化程度增加而减少 水分是影响土壤微生物群落的重要因素对土壤微生物的生长、活动、生存存在着重要的影响 草甸退化过程中土壤水分有效性降低会导致土壤微生物群落碳利用效率降低并最终改变土壤中真菌和细菌的生物量和结构进而影响微生物的相互作用关系 由于土壤 被广泛认为是塑造微生物群落的重要环境因素草甸退化过程中 的变化会深刻影响土壤微生物群落组成和网络结构 李海云等在祁连山退化高寒草地的研究也发现土壤全氮和速效氮是土壤微生物群落结构的主要驱动因子 退化生态系统中氮供应的直接影响生态系统的结构和功能进而潜在的影响土壤微生物结构和多样性 本研究结果发现植被参数与土壤细菌和真菌网络连通度显著相关说明草甸退化过程中植被参数的变化对地下微生物网络结构有重要的影响 课题组前期的研究结果 也证实草甸退化过程中植被参数和土壤养分是驱动土壤细菌和真菌结构变化的主要因子植物群落 多样性与微生物群落分类和功能 多样性的显著相关草甸退化过程中植物群落可以通过多种途径直接或间接影响微生物的群落结构和相互作用关系 首先由于草地退化而导致植物地上和地下生物量的减少降低了输入到土壤中的凋落物和根的有机质含量从而影响了微生物利用底物的有效性 不同的植被产生不同数量和质量的植物凋落物主要导致土壤碳氮的变化最终导致微生物群落组成和互作关系的变化 其次由于植物物种对其相关微生物的存在选择性效应草地退化过程中植物组成的显著改变如莎草科植物的减少和非禾本植物的增加也可能对微生物群落产生显著影响 结论本研究利用 高通量测序技术结合分子生态网络对五台山不同退化程度亚高山草甸土壤微生物群落结构和不同物种间互作网络关系进行研究 研究表明五台山亚高草甸退化改变了土壤微生物(细菌、真菌和细菌真菌)网络结构和关键物种增加了土壤细菌内部、真菌内部以及细菌真菌群落间的相互作用导致其网络结构更为复杂 而未退化草甸土壤微生物网络具有较长的平均路径距离和较高的模块性使其比退化草甸更能抵抗外界环境的变化具有较高的稳定性 土壤含水量、总氮和铵态氮含量是影响了亚高山草甸退化过程中土壤微生物网络互作关系的主要理化因子参考文献():.():.庞晓瑜 雷静品 王奥 邓云鹏.亚高山草甸植物群落对气候变化的响应.西北植物学报 ():.章异平 江源 刘全儒 陶岩 王耿锐.放牧压力下五台山高山、亚高山草甸的退化特征.资源科学 ():.罗正明 赫磊 刘晋仙 胡砚秋 周妍英 郑庆荣 柴宝峰.土壤真菌群落对五台山亚高山草甸退化的响应.环境科学 ():.:.:.():.期 罗正明 等:基于分子生态学网络探究亚高山草甸退化对土壤微生物群落的影响:/.:.():.朱瑞芬 刘杰淋 王建丽 韩微波 申忠宝 辛晓平.基于分子生态学网络分析松嫩退化草地土壤微生物群落对施氮的响应.中国农业科学 ():.罗正明 刘晋仙 暴家兵 王雪 吴强 柴宝峰.五台山亚高山土壤真菌海拔分布格局与构建机制.生态学报 ():.():.():.:./:.():.胡晓婧 刘俊杰 魏丹 朱平 崔喜安 周宝库 陈雪丽 金剑 刘晓冰 王光华.东北黑土区不同纬度农田土壤真菌分子生态网络比较.应用生态学报 ():.卢慧 赵珩 盛玉钰 丛微 王秀磊 李迪强 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