微量营养素在根际和土壤整体环境中氨氧化细菌及古菌生态位划分中的作用

《Applied Soil Ecology》：The role of micronutrients in niche partitioning of ammonia-oxidizing bacteria and archaea across rhizosphere and bulk soils

本研究通过分析长期耕作试验中的土壤样本，利用测序技术揭示土壤化学因素如锰、pH等对氨氧化古菌和细菌 niche 分配的主导影响，以及耕作和管理措施的次要作用。

　　

Kivi Snavely|Debarshi Dasgupta|Samiran Banerjee

北达科他州立大学微生物科学系，美国北达科他州法戈市Centennial Blvd 1523号，邮编58102

摘要

土壤群落如何占据生态位并分配资源是土壤微生物生态学中的一个核心问题。识别驱动群落成员分布和生态位划分的因素对于预测性理解这些群落至关重要。氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）竞争氨，并在调节土壤氮转化中发挥重要作用。然而，环境因素如何驱动它们在农业生态系统中的生态位划分仍不甚明了。尽管一些研究暗示了它们在领域层面的差异，但很少有研究评估了土壤因素、管理实践和植物区室对这些群落形成的同时影响。在这项研究中，我们分析了来自一个为期38年的长期作物系统田间试验的45个土壤样本和45个根际样本，通过氨单加氧酶（amoA）结构基因的扩增子测序来评估微量营养素、大量营养素、耕作方式、施肥和植物区室如何影响氨氧化菌群落。利用Levin的生态位宽度分析和随机森林模型，我们发现锰、pH值、阳离子交换能力和镁等土壤性质是预测AOA与AOB生态位划分的重要指标。土壤样本中普遍存在更通用的古菌，而根际环境中则更常见专门的细菌。管理实践影响了整体群落结构，但其影响相对于土壤化学性质而言是次要的。我们的研究结果表明，微量营养素在构建氨氧化菌群落中的作用被低估了，并证明农业土壤中的生态位划分主要受土壤化学性质而非管理制度的控制。

引言

理解不同物种如何在竞争相同资源的同时共存，以及它们如何划分生态位，是生态学中的一个基本问题。MacArthur首次证明了即使物种利用相同的资源，也能在小空间范围内共存，从而打破了竞争排斥原则（MacArthur, 1958）。其他研究表明，陆地动物可以通过改变觅食的时间或空间要素来减少竞争（Hayward and Slotow, 2009）。植物群落组成也受到资源梯度的驱动，这可能是由于环境参数（如海拔和养分可用性）导致的生态位划分（Callaway et al., 2002; Wandrag et al., 2023）。在微生物世界中，氨氧化菌被广泛研究，使它们成为研究生态位划分及其驱动因素的理想模型。

氨氧化微生物在土壤氮循环中起着核心作用，它们执行硝化作用的限速步骤，对农业生态系统中的肥料利用效率和氮损失有显著影响（Martens-Habbena et al., 2009）。这些群落由两大功能群组成：氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB），尽管它们竞争相同的底物氨，但仍然能在土壤中共存。它们通过氨单加氧酶将氨氧化为羟胺来获取能量（Ensign et al., 1993）。生态学理论预测，使用相同资源的生物之间的共存是通过生态位分化实现的，然而在受管理的农业系统中，驱动氨氧化菌生态位划分的具体因素尚不完全清楚（Gubry-Rangin et al., 2024, Gubry-Rangin et al., 2011）。实证证据表明，AOA和AOB会对环境梯度（如pH值（Lehtovirta-Morley, 2018; Wen et al., 2024）、氮可用性（Sterngren et al., 2015）和温度（Dong et al., 2025）作出响应。AOA和AOB群落对环境梯度的响应往往凸显了它们在生理和适应策略上的差异（Banerjee and Siciliano, 2012; Erguder et al., 2009; Valentine, 2007）。适应策略的差异可能允许不同谱系的AOA和AOB在不同的生态系统中共存（Qin et al., 2024）。然而，土壤微量营养素和管理实践对它们分布的影响却鲜有关注。

在农业土壤中，氨氧化作用决定了施用氮肥的命运，同时促进了植物可利用的硝酸盐生成以及通过淋溶和气体排放的不希望的损失（Robertson et al., 2013; Subbarao et al., 2006）。管理实践（包括耕作强度和施肥）与土壤性质相互作用，从而影响微生物群落组成（Gupta and Tiedje, 2024; Srour et al., 2020）。同时，根际环境是一个化学成分独特的微环境，富含植物衍生的碳化合物，通常支持与土壤中的微生物不同的生态策略（Berendsen et al., 2012; Shi et al., 2016）。尽管先前的研究强调了氮可用性和pH值在构建AOA和AOB群落中的重要性，但锰、镁、钙和铜等微量营养素的潜在作用仍大多未被探索，尽管它们参与了与氨氧化相关的酶促过程（Dai et al., 2023; Trivedi et al., 2019）。例如，土壤中的铜浓度可能起着重要作用，因为铜是氨单加氧酶蛋白的关键成分。同样，其他微量营养素（如钙（Norris et al., 1991）、锰（Waters, 2020）和镁（Moncrief and Maguire, 1999）在各种微生物生化途径中也至关重要。需要注意的是，微量营养素对微生物的影响具有阈值依赖性，即低于生理需求的浓度会限制微生物活动，而过高浓度则可能具有抑制性或毒性。

我们对氨氧化菌生态位生态学的理解存在一个空白，即尚未明确土壤化学性质、土壤微环境和农业管理系统在驱动这些群落方面的相对重要性（Prosser and Nicol, 2012）。大多数研究单独评估这些因素，使得难以评估它们对生态位划分的综合影响（Hink et al., 2018; Muck et al., 2019）。此外，虽然领域层面的模式已经得到很好的描述（Aigle et al., 2019; Gubry-Rangin et al., 2024），但对于同一属内的氨氧化菌对环境变量的不同响应知之甚少。这方面的机制知识将有助于构建基于特征的硝化潜力预测模型。通才和专才生态策略为解释氨氧化菌的行为提供了额外的视角。在各种管理条件下保持稳定丰度的物种（主要是通才）可能对管理变化更具抵抗力，而专才物种可能对特定环境生态位更敏感（Jiang et al., 2024; Wright and Lehtovirta-Morley, 2023）。

为了解决这些空白，我们进行了这项研究，以探讨氨氧化菌的生态位划分。我们分析了来自一个为期38年的长期作物系统田间试验的90个土壤样本，包括五种施肥方案（每英亩施用0、50、100、150磅氮肥以及有机肥料处理）、三种耕作强度（无耕作、最小耕作和常规耕作）以及两种植物区室。通过结合amoA基因的扩增子测序和下游微生物组分析流程及机器学习，我们量化了土壤性质、管理和区室如何共同影响氨氧化菌的生态位划分。我们特别关注识别决定AOA与AOB差异的关键土壤化学指标，并确定通才和专才物种在不同区室中是否表现出一致的模式。我们假设不同的管理因素（如肥料施用和植物区室）和土壤区室（土壤和根际）会孕育不同的氨氧化菌群落。具体来说，我们假设AOA与AOB在领域层面的生态位划分与生物可利用微量营养素的梯度有关，尤其是对氧化还原敏感的金属（如锰），这些金属会随着土壤化学条件的变化而显著变化，并对微生物生理产生选择性限制。我们还预测，DTPA可提取微量营养素的变化（以及相关的土壤性质如pH值和阳离子交换能力）会导致AOA与AOB相对优势的系统变化，这通过细菌和古菌通才的比例来量化。总体而言，我们的目标是揭示在集约化管理农业系统中氨氧化菌分布的驱动因素，并提供一个基于机制的框架，以识别与AOA与AOB差异相关的土壤化学属性。

研究地点和采样

我们于2020年6月在北达科他州福斯特县的NDSU Carrington研究推广中心（CREC）进行了这项研究（坐标：47°58′N, 97°3′W；海拔489米）。该田间试验始于1987年，是美国持续时间最长的农业田间试验之一。详细布局见补充材料（图S1）。这里的土壤类型为Heimdal-Emrick壤土（粗壤土，混合类型，超级活性，寒冷钙质土，Hapludolls）（Chatterjee et al., 2017）

跨土壤性质、管理和区室梯度的群落结构

与我们的第一个假设一致，PERMANOVA分析显示AOA的整体群落结构在不同土壤区室之间存在显著差异（p = 0.0008），而区室对AOB的结构没有影响（p > 0.05）（图1）。耕作方式影响了AOB群落的结构（土壤：p = 0.0233；根际：p = 0.0014），但对AOA没有影响（土壤：p > 0.05；根际：p > 0.05），施肥方式则同时影响了根际中的AOB和AOB群落（AOB：p

领域层面的划分：微量营养素和土壤化学的作用

在这项研究中，我们关注了DTPA可提取的微量营养素池，这些微量营养素代表了长期管理土壤中典型的生物可利用浓度范围。文献中已充分记录了领域层面的划分（Merbt et al., 2012; Tourna et al., 2008; Trivedi et al., 2019; Xiao et al., 2020），然而，先前的研究探讨了AOA和AOB的不同生理特性

结论和未来方向

以氨氧化菌作为微生物世界的模型，我们的研究探讨了在38年长期作物系统试验中影响群落生态位划分的因素。通过机器学习和生态位宽度分析，我们展示了微量营养素和其他土壤因素在调节不同耕作强度和肥料剂量下土壤区室中氨氧化菌生态位划分方面的相对重要性。

CRediT作者贡献声明

Kivi Snavely：撰写初稿、可视化、正式分析。Debarshi Dasgupta：撰写、审稿与编辑、可视化、调查。Samiran Banerjee：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。

资金信息

本工作得到了NDSU基金的支持（编号：37000-7690-02442-FARG006387）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢法国里昂大学的Graeme Nicol博士对amoA序列处理的建议。同时感谢NDSU Carrington研究推广中心的工作人员以及Lennel Camuy的帮助。