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DOI:10.1007/s11104-023-06396-7該文章對來自三個主要耕地（旱地、稻田和稻旱輪作）土壤的已發(fā)表測序數(shù)據(jù)（共64篇的3109個土壤樣品數(shù)據(jù)）進行了綜合分析，以此了解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落和功能模式。旱地、稻田和稻旱輪作農(nóng)田系統(tǒng)土壤中細菌群落分類群的特征和預(yù)測功能。土壤細菌在農(nóng)田生態(tài)功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。我們推測，盡管全球氣候和土壤條件存在巨大差異，但主要農(nóng)作物土壤特性的優(yōu)化導(dǎo)致了三種農(nóng)田土壤共有的特定微生物群落。組裝過程的類型決定了微生物群落的組成和功能。確定性和隨機過程同時促進微生物組裝。水稻土的特點是厭氧環(huán)境、強烈的氧化還原變化過程以及較高的土壤有機碳（SOC）和總氮（TN）含量，所有這些都意味著微生物群落的強烈環(huán)境選擇。因此，我們的第一個假設(shè)是，確定性過程對稻田土壤中微生物組裝的貢獻大于農(nóng)田土壤中的微生物組裝。休眠和復(fù)蘇能力增加了微生物對環(huán)境波動（例如干濕循環(huán)）的抵抗力。在合適的條件下，具有高核糖體操縱子拷貝數(shù)的微生物（即富營養(yǎng)型，r策略）可以快速響應(yīng)資源可用性的脈沖并恢復(fù)其活性。水旱輪作土壤經(jīng)歷頻繁的干濕循環(huán)，導(dǎo)致環(huán)境波動劇烈。因此，我們的第二個假設(shè)是，適應(yīng)水旱輪作的微生物具有很強的休眠和復(fù)蘇能力，可以在頻繁的干濕循環(huán)下維持群落穩(wěn)定性。功能冗余可能在干擾期間維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。功能冗余使得功能特性比微生物分類組成在應(yīng)對環(huán)境變化時更加穩(wěn)定。1. 合并原始序列數(shù)據(jù)并將 16S rRNA 片段映射到全長序列。圖1 農(nóng)田的位置和類型。各站點年平均氣溫（MAT）和降水量（MAP）以及土壤pH和SOC的分布。旱地以紅色顯示；稻田用藍色表示；稻田輪作以綠色顯示。2. 細菌多樣性和聚類分析 3. 休眠潛力、異養(yǎng)策略和功能預(yù)測分析 通過將每個分類單元的相對豐度乘以其拷貝數(shù)求和來計算加權(quán)平均核糖體操縱子拷貝數(shù)，該拷貝數(shù)由 PICRUSt2 確定，它代表微生物的異養(yǎng)策略及其響應(yīng)速度資源。假定富營養(yǎng)生物比寡營養(yǎng)生物擁有更多的拷貝數(shù)。重點關(guān)注編碼孢子形成因子的基因和毒素-抗毒素系統(tǒng)，這些基因是使用 KEGG 獲得的。使用默認參數(shù)在 Galaxy/DengLab 中使用原核類群功能注釋 (FAPROTAX) 執(zhí)行生態(tài)功能。 4. 隨機森林模型和指標分析 5. 中性模型推斷農(nóng)田土壤細菌組裝過程 6. 環(huán)境和空間參數(shù)對土壤微生物群落組成和功能變化的貢獻 結(jié)果1 三種農(nóng)田類型土壤的細菌多樣性、群落組成和功能特征圖2 不同農(nóng)田類型的微生物群落概述。三種農(nóng)田類型土壤中細菌群落的 zOTU 數(shù)量（a）和香農(nóng)多樣性（b）旱地土壤的豐富度和香農(nóng)多樣性最高。主坐標分析 (PCoA) 顯示微生物群落根據(jù)三種農(nóng)田類型進行分離 (c）UPGMA 根據(jù)成對樣本之間的 Bray-Curtis 距離評估門水平細菌群落的相對豐度 (d)三種農(nóng)田類型土壤中前九個門的相對豐度（e）圖S6 基于FAPROTAX的三種農(nóng)田土壤差異細菌的功能特征。旱地土壤中的細菌群落相較于水稻田和水稻-旱地輪作土壤，具有與芳香化合物降解、幾丁質(zhì)分解和尿素分解相關(guān)的更高功能潛力。水稻田土壤中的細菌群落具有比其他農(nóng)田土壤更高的與養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的功能潛力。這些功能潛力與氮（N）和硫（S）代謝途徑有關(guān)，包括反硝化、硝酸鹽還原和呼吸、亞硝酸鹽反硝化和呼吸、固氮、氮呼吸、笑氣反硝化、S化合物呼吸和S呼吸等。結(jié)果2 三種農(nóng)田類型土壤中的關(guān)鍵細菌類群和功能Arthrobacter在旱地土壤中比在其他類型更為豐富；水稻土中Methylocystis 和Anaeromyxobacter富集；水旱輪作下的三個屬（即硫桿菌屬、屬于 Solibacteraceae 類的 GOUTB8 和 Sideroxydans）比其他農(nóng)田土壤更為豐富。旱地土壤中的尿素分解和需氧氨氧化作用比其他農(nóng)田土壤更強。水稻土中富集了與甲烷氧化、碳氫化合物降解、硫酸鹽呼吸、硫化合物呼吸和甲基營養(yǎng)相關(guān)的五種潛在功能。圖3 指示類群和預(yù)測功能取決于農(nóng)田類型。根據(jù)indval評分結(jié)果，對旱地、水稻和水旱輪作農(nóng)田系統(tǒng)的土壤進行屬水平的細菌分類和預(yù)測功能富集。通過應(yīng)用微生物群相對豐度的隨機森林分類以及針對旱地、水稻和稻旱地的預(yù)測功能，確定了前 11 個細菌屬（左）和 12 個預(yù)測功能（右）。生物標記分類單元和預(yù)測函數(shù)按對模型準確性的重要性降序排列。結(jié)果3 三種農(nóng)田類型土壤的休眠潛力相較于水稻田和水稻-旱地輪作土壤，旱地土壤中的細菌群落承載著約25-130%更高的孢子形成基因豐度，以及約41-51%更高的毒素-抗毒素生成基因豐度。旱地土壤細菌群落的rRNA操縱子計數(shù)水平最高，分別比水稻和稻旱輪作土壤中的細菌群落高20%和10%（表明對資源可用性的反應(yīng)更快）。圖4 農(nóng)田的休眠潛力和異養(yǎng)生長策略。PICRUSt2 估計的三個農(nóng)田組土壤中休眠基因（孢子豐度和毒素-抗毒素豐度）和加權(quán)平均核糖體拷貝數(shù)的 log 10 豐度。結(jié)果4 農(nóng)田土壤中細菌群落的組裝過程中性模型用于評估擴散限制和生態(tài)漂移的貢獻。旱地隨機過程的貢獻更大（R2）。分布在預(yù)測之上的類群應(yīng)該是受到環(huán)境的正向選擇或者具有較強的擴散能力。在旱地土壤中，變形菌門（32%）、放線菌門（23%）和酸桿菌門（18%）的分布高于預(yù)測值，并且在芳香族化合物降解、幾丁質(zhì)分解和尿素分解方面具有較高的功能潛力。圖5 基于中性模型的微生物組裝估計。出現(xiàn)頻率高于模型預(yù)測的 zOTU 以橙色顯示，而出現(xiàn)頻率低于預(yù)測的 zOTU 以綠色顯示。藍色虛線代表模型預(yù)測周圍的 95% 置信區(qū)間，落在置信區(qū)間內(nèi)的 zOTU 被視為中性分布。直方圖顯示了三種農(nóng)田類型土壤細菌群落中三類 zOTU 的累積相對豐度。出現(xiàn)頻率高于模型預(yù)測的 zOTU 用于創(chuàng)建使用 FAPROTAX 分配的最終生態(tài)功能。線性回歸分析表明，細菌分類組成和功能潛力的差異隨著地理距離的增加而增加，表明距離衰減對細菌群落分類和功能組成的影響。圖6b中，稻田的斜率最低表明稻田中微生物群落具有更高程度的功能冗余。圖6 微生物組成和預(yù)測功能的距離衰減效應(yīng)。（a）三個農(nóng)田組土壤中地理距離與細菌群落（藍點）或預(yù)測功能（紅點）差異之間的關(guān)系。（b）細菌群落差異與預(yù)測功能差異之間的關(guān)系。實線表示擬合的線性回歸模型。分類學(xué)的斜率比預(yù)測功能的斜率陡得多，這反映了微生物群落的功能冗余。相關(guān)分析表明，氣候因素（MAT 和 MAP）和土壤特性（pH、SOC、TN、AP 和 C:N）強烈影響細菌群落多樣性和組成（圖S7）。變異分區(qū)分析（VPA）顯示，農(nóng)田類型、土壤、空間和氣候因素分別占細菌分類組成和預(yù)測功能組成變異的36%和52%。土壤因素是細菌分類的主要貢獻者，而農(nóng)田類型則負責預(yù)測的功能。圖7 基于方差分區(qū)分析與 PCNM 空間尺度分析相結(jié)合計算的環(huán)境和空間因素對旱地、水稻和旱地輪作農(nóng)田系統(tǒng)土壤細菌群落分類（上）和預(yù)測功能（下）的貢獻。圖S7 微生物群落和功能的環(huán)境驅(qū)動因素。顯示了環(huán)境因素和多樣性之間的成對斯皮爾曼相關(guān)性。根際互作生物學(xué)研究室 簡介
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