《CATENA》：Elevational shifts in diazotrophic communities in subalpine forests: joint effects of temperature and soil properties
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中国22山地森林310份土壤样本高通量测序分析表明，原生生物多样性受温度、土壤酸化及地理因素影响，多/单栖息地物种呈现相反环境响应模式，食草者偏好冷干土壤，寄生虫则富集于湿热环境，地理效应通过多因素交互作用间接影响群落结构。
Kai Fang|Yong-Ping Kou|Na Tang|Jia Liu|Xiao-Ying Zhang|Xiao-Hu Wang|Wen-Qiang Zhao|Hai-Jian Bing|Yan-Hong Wu|Qing Liu
中国大理大学农业与生物科学学院，大理，671003
摘要
土壤原生生物是地下生态系统中多样且功能重要的组成部分。不同亚群，如多生境和单生境类群，可能表现出不同的生物地理模式和环境响应；然而，这些差异在较大空间尺度上仍知之甚少。我们使用高通量测序技术分析了来自中国22个山地森林的310个土壤样本，以研究原生生物的多样性、群落组成以及环境驱动因素在森林类型和气候带中的变化。混合阔叶-针叶林和亚热带地区的原生生物多样性最低，这可能与较高的温度和土壤酸化有关，表现为与温度呈负相关，并且在低pH条件下多样性降低。地理和气候因素共同解释了群落组成的大部分变异。在不同气候带中，多生境和单生境类群表现出不同的多样性模式，并对环境梯度的响应也相反，尽管它们具有相似的群落驱动因素。相比之下，在不同森林类型中，这些类群没有明显的相反多样性模式，其群落结构对不同环境因素的响应也不同。营养策略可以预测生境偏好：消费者和光养生物在较冷和较干燥的土壤中更为丰富，而寄生生物则在较温暖和较湿润的环境中占主导地位。多生境和单生境消费者的互补丰度模式表明可能存在生态位分化，这可能促进共存和土壤生态系统的稳定性。地理因素对原生生物群落的影响既直接又间接，通过气候-植被-土壤相互作用实现，其机制在不同多样性指标和分类群中有所不同。这些发现为使用与生境相关的原生生物作为生物多样性监测指标提供了依据，并有助于了解土壤生态系统对未来气候变化的响应。
引言
原生生物是一类系统发育上多样的单细胞真核生物，传统上根据形态和生态特征被分类为类似动物、植物或真菌的生物（Whittaker和Margulis，1978）。从功能上讲，可以根据它们的营养策略将其分为消费者、寄生生物或光养生物（Adl等人，2019）。作为土壤微生物组的关键成员，原生生物对细菌和真菌群落具有自上而下的控制作用，从而影响地下过程并影响地上植物的表现（Gao等人，2019；Geisen等人，2023）。它们的生态作用包括养分循环（Adl和Gupta，2006）、有机碳转化（Liao等人，2024）、磷的可用性（Mei等人，2025）、促进植物生长（Guo等人，2021）和抑制病原体（Xiong等人，2020；Guo等人，2022）。最近的分子进展大大提高了我们对海洋、淡水和陆地生态系统中原生生物多样性和生物地理学的理解（Singer等人，2021）。在陆地环境中，原生生物群落表现出明显的空间和时间变化，受气候、植被和土壤特性的驱动（Bates等人，2013；Ferreira de Araujo等人，2018；Fiore-Donno等人，2019；Fang等人，2024）。然而，与细菌和真菌相比，原生生物的生物地理学研究相对较少，这限制了我们预测其分布和对环境变化的响应的能力（Chandarana和Amaresan，2022；Geisen等人，2023；Jun和Rasit，2023）。
最近的研究强调了亚群水平生态特征对于理解微生物群落组装的重要性。例如，稀有和丰富的类群在对环境变化的支配性和敏感性上存在差异（Wan等人，2021），而具有宽生态位和窄生态位的类群表现出不同的生物地理模式和组装机制（Fan等人，2024）。在细菌和真菌群落中，这些亚群在群落结构（Zhang等人，2023）、环境过滤（Riddley等人，2025）、进化历史（Sriswasdi和Iwasaki，2017）、适应策略（Xu等人，2022a）和生态系统功能（Semchenko等人，2022；Xu等人，2022b）方面存在差异。这种基于亚群的方法有助于克服全群落分析的局限性，因为全群落分析常常由于功能冗余而掩盖生态信号（Louca等人，2018）。
除了基于丰度或生态位宽度的分类外，空间物种-生境关联为研究微生物群落提供了补充框架。空间定义的亚群——多生境类群（即出现在多个生境中的物种）和单生境类群（即仅限于一个生境的物种）——能够捕捉生物对环境异质性的响应。这些亚群在扩散能力、环境耐受性和生境专化方面可能存在差异。在异质景观中，环境过滤和扩散限制可以产生特定生境的亚群（Gong等人，2023）。多生境类群通常被解释为广泛耐受或高度扩散的物种，而单生境类群则反映了狭窄的生态专化或强烈的局部环境限制（Miura等人，2019；Liu等人，2021）。尽管这些空间定义的亚群具有生态相关性，但在原生生物生物地理学研究中仍大多被忽视。这一框架提供了一种将物种分布与生境异质性联系起来的空间明确方法，并有助于解析群落组装过程。
原生生物对环境梯度的响应受到系统发育关系和营养模式的强烈影响，导致不同的生物地理模式。例如，Cercozoa通常在寒冷、干燥的土壤中占主导地位，而Apicomplexa则在温暖、潮湿的地区占优势，反映了不同的进化适应（Wu等人，2022a）。营养类群在环境敏感性上也存在差异：消费者主要响应猎物的可用性，而光养生物则更受光照和温度等非生物因素的影响（Nguyen等人，2021）。在全球范围内，消费者分布广泛，寄生生物集中在热带地区，而光养生物在干旱、光照充足的环境中占主导地位（Oliverio等人，2020）。然而，在同一谱系或营养类群内部，仍可能存在生态变异。对细菌和真菌群落的研究表明，尽管具有相似的功能特征，但在丰度或生态位宽度上不同的类群可能对环境梯度的响应不同（Du等人，2025；Riddley等人，2025）。这一观察提出了一个关键问题：在给定的谱系或营养类群内，多生境和单生境类群对环境梯度的响应是否相似，或者它们是否表现出额外的生态分化？回答这个问题有助于阐明广泛的系统发育限制和细尺度生境专化的相对作用。
原生生物群落组成受到多种相互作用的环境因素的影响，这些因素在空间尺度上有所不同。地理变量如纬度和海拔通过调节气候和土壤特性间接影响群落（Bates等人，2013；Mazel等人，2022）。尽管许多研究集中在降水或土壤pH等单一驱动因素上（Oliverio等人，2020），但越来越多的证据强调了气候、土壤和植被相关因素之间的协同作用（Zhao等人，2020b；Nguyen等人，2021；Fang等人，2024）。这些相互作用可能根据考虑的环境异质性维度（如森林类型与气候带）对多生境和单生境类群产生不同的影响。因此，了解不同亚群如何响应环境驱动因素的组合对于揭示群落组装的情境依赖性至关重要。
解决这些知识空白需要在环境多样化的地区进行大规模调查。中国由于其广阔的地理范围、从温带到热带的气候梯度以及复杂的地形，提供了理想的实验环境（Zhao等人，2020a）。之前在中国九个森林中的研究揭示了原生生物消费者和寄生生物的明显生物地理模式，支持了温度-多样性梯度和距离-衰减关系等生态概念（Wu等人，2022a）。在此基础上，我们调查了中国22个山地森林站点中的土壤原生生物群落，这些站点跨越了广泛的纬度和经度梯度。本研究旨在探讨景观尺度上的环境异质性如何塑造原生生物的生物地理学，特别关注空间定义的亚群。我们假设：（1）多生境和单生境类群在森林类型和气候带中表现出不同的生物地理模式和环境关联；（2）系统发育谱系和营养类群沿环境梯度的丰度变化不同，这两种空间亚群之间的响应也不同；（3）多种相互作用的环境因素共同调节原生生物的多样性和群落组成，对总群落、多生境群落和单生境群落产生亚群特异性的影响。通过将亚群特定模式与环境变异性联系起来，本研究旨在加深我们对土壤原生生物生物地理学背后生态过程的理解。
部分摘录
土壤样本采集
调查了中国22个山地森林，覆盖了北纬21.88°至44.17°、东经100.99°至128.13°的范围内，海拔高度从210米到3830米不等（表1；表S1）。这些森林代表了温带、暖温带和亚热带气候带，包括阔叶林、混合阔叶-针叶林和针叶林类型（Zhao等人，2020a；Kou等人，2021）。在2012年7月至2013年3月的一次野外活动中，收集了土壤样本
原生生物分类群和功能类群
在310个土壤样本中鉴定出了3064个原生生物ASVs。最常见的分类群是Ciliophora、Cercozoa和Ochrophyta，消费者构成了主导的功能类群（图1A）。这些分类群和功能类群的相对丰度在不同森林类型和气候带中存在显著差异。例如，Cercozoa的相对丰度最低，而在阔叶林中Apicomplexa的相对丰度最高。
原生生物生物地理模式的环境驱动因素
土壤中存在丰富的原生生物多样性（Geisen等人，2019），它们在生态系统功能中起着关键作用，尤其是在与细菌和真菌的相互作用中（Gao等人，2019）。原生生物群落在不同生态系统中的变化很大，受到多种环境因素的影响，包括气候、地理、土壤特性和植被（Bates等人，2013；Mazel等人，2022；Fang等人，2024）。在较大的空间尺度上，纬度、年平均温度（MAT）等
结论
本研究探讨了环境因素如何影响中国不同森林生态系统中的土壤原生生物群落。原生生物多样性主要与纬度、年平均温度（MAT）和土壤pH相关，而群落组成则受到地理和气候因素的共同影响。营养策略对生境偏好的影响大于系统发育关系，这突显了生态功能在群落组织中的核心作用。
CRediT作者贡献声明
Kai Fang：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，概念化。Yong-Ping Kou：撰写——审稿与编辑，方法学，资金获取，数据管理。Na Tang：研究。Jia Liu：研究，资金获取，概念化。Xiao-Ying Zhang：方法学，研究。Xiao-Hu Wang：可视化。Wen-Qiang Zhao：方法学，研究。Hai-Jian Bing：研究。Yan-Hong Wu：研究。Qing Liu：
作者贡献
Q.L.和Y.P.K.设计了研究并监督了数据收集。Y.P.K.分析了高通量测序的原始数据。K.F.设计了统计方法，分析了数据并撰写了论文。K.F.、N.T.、J.L.、X.Y.Z.、X.H.W.、W.Q.Z.、Y.P.K.、H.J.B.、Y.H.W.和Q.L.进行了采样和实验。所有作者都阅读并批准了本手稿。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFF1306700）、国家自然科学基金（项目编号32171550和32201529）、四川省科技计划（项目编号24NSFSC2583）、中国科学院成都生物研究所重点项目（QYJC2024-3）以及中国科学院青年创新促进协会（2021371）的共同支持。
