温带农业土壤中土壤表面微生物组的快速组装与功能分化

《Soil Biology and Biochemistry》：Rapid Assembly and Functional Differentiation of the Soil Surface Microbiome in Temperate Agricultural soil

土壤表面微生物群落动态及功能分化研究。通过多组学测序分析 tillage 后温带农业土壤中光合成生物、细菌、真菌和原生生物的演替过程，发现 4 周内形成以绿藻（Xanthophyceae）为主的光合层，随后演替为蓝藻、绿藻和苔藓。表面菌群在碳氮磷硫循环方面显著优于内部土壤，且生态位构建受限制性扩散主导，揭示温带农田中类似生物土壤结皮（BSC）的动态功能层。

　　

克里斯托弗·詹姆斯·奥格雷迪（Christopher James O’Grady）| 萨莉·希尔顿（Sally Hilton）| 埃玛·皮科特（Emma Picot）| 塞巴斯蒂安·拉吉多（Sebastien Raguideau）| 克里斯托弗·昆斯（Christopher Quince）| 克里斯托弗·J·范德加斯特（Christopher J. van der Gast）| 亨德里克·谢弗（Hendrik Sch?fer）| 加里·D·本丁（Gary D. Bending）

英国考文垂华威大学生命科学学院，CV4 7AL

摘要

生物土壤壳（Biological Soil Crusts，BSCs）是由土壤表面的光合生物形成的，它们在干旱生态系统中的微生物群落结构和生物地球化学过程中起着关键作用。类似的表面相关群落也存在于温带农业土壤中，但其形成机制、组装动态和功能意义仍不甚清楚。我们研究了耕作后以及冬小麦生长期间土壤表面微生物组的时间演变过程，通过多 Kingdom 扩增子测序与宏基因组分析相结合的方法，追踪了光合生物、细菌、真菌和原生生物群落，以及共扩增的宏观光合生物。在耕作后的4周内，光合生物、细菌和原生生物的独特表面群落迅速建立，并经历了从黄绿藻（Xanthophyceae）为主到蓝细菌、轮藻类，最终到苔藓的明显演替过程。在所有分类群中，土壤表面的群落组装逐渐倾向于受到扩散限制，而土壤内部的群落则主要受生态漂变的影响。到生长季节结束时，土壤表面形成了与土壤内部不同的功能特征，这主要归因于真核藻类的碳固定作用，以及异养碳、氮、磷和硫循环的遗传潜力增强。这些功能变化与放线菌（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门（Proteobacteria）的富集有关。我们的研究结果表明，温带农业系统的土壤表面是一个动态且功能分化的微生物栖息地，它与干旱地区的生物土壤壳具有关键的生物学特征，但表现出不同的功能和演替轨迹，揭示了管理型温带生态系统中一个被忽视的组成部分。

引言

由于光照和其他环境因素（如风和雨）的影响，土壤表面形成了一个独特的土壤区域。光照促进了包括真核藻类、蓝细菌、苔藓和地衣在内的光合生物群落的发展。这些群落能够结合并缠绕土壤颗粒，从而在土壤表面形成一层独特的物理层，称为生物土壤壳（BSC）（Garcia-Pichel, 2023）。BSCs还支持着独特的异养细菌和真菌群落（Davies et al., 2013; da Rocha et al., 2015）。

BSCs广泛分布，覆盖了陆地栖息地表面面积的12%（Maier et al., 2018, Rodriguez-Caballero et al., 2018）。BSCs内的微生物群在全球生物地球化学循环中起着重要作用，贡献了46%的生物氮固定和7%的陆地生态系统净初级生产力（Elbert et al., 2012）。BSCs存在于每个大陆和气候带，从极度干旱的沙漠到冰川前缘地区（Bowker et al., 2018, Belnap, 2003b, Yoshitake et al., 2010）。然而，关于BSC生物多样性和功能的多数知识来自干旱和半干旱地区的研究。在这些生态系统中，BSCs遵循一种演替发展模式，最初由蓝细菌和真核藻类定殖（Belnap, 2003b）。随着时间的推移，藻类的优势地位被苔藓、地衣和肝wort取代。BSCs在干旱地区执行着关键的生态系统功能，包括减少风蚀和水蚀、增强土壤稳定性和改善水流（Belnap and Lange, 2003）。管理和工程化土壤表面微生物群被认为是恢复退化干旱生态系统的一种关键方法（Coban et al., 2022）。

用于耕作或永久作物的农田占世界表面面积的11%，全球范围内农业土壤正以不可持续的速度遭受侵蚀（Li and Fang, 2016）。温带地区的农业土壤也可能支持形成物理上独特的BSC的土壤表面光合生物群落（Knapen et al., 2007），但与干旱地区的土壤表面群落相比，对其生物组成和功能意义的理解非常有限。Knappen等人（2007）发现温带农田中的土壤表面群落从以藻类为主演变为以苔藓为主，这与土壤侵蚀的减少有关。此外，Crouzet等人（2019）在含有农田土壤的介观实验中观察到光合生物的快速发育，这与表面微生物群落提供的抗侵蚀能力有关。

然而，与土壤表面光合生物丰度变化相关的表面群落变化尚未得到充分关注。Davies等人（2013）通过实验室培养实验表明，当土壤暴露在光下时，包括Nostoc和Anabaena在内的蓝细菌具有增殖潜力，Kurth等人（2023）证明湿润农业土壤中的蓝细菌BSC具有与看似裸露的土壤相似的细菌和真菌组成。这些研究表明，光合生物表面群落在湿润土壤中普遍存在，并形成了从低生物量到高生物量的连续体，尽管暴露在光下的土壤表面群落的发育动态，包括随时间的演替变化仍不清楚。对土壤表面群落组成的分子表征主要依赖于细菌群落的扩增子测序来捕获光合生物和异养生物群落的组成信息。虽然Davies等人（2013）指出真核藻类可能对土壤表面群落有所贡献，但整合真核光合生物分析的整体研究仍然缺乏（Steven et al., 2012; Moreira-Grez et al., 2019）。

依赖α多样性和β多样性分析来描述土壤表面群落的特点，限制了对BSC发展过程中塑造群落组装的生态过程的理解。Vellend（2010）确定了四种群落组装过程：自然选择、遗传漂变、物种形成和随机扩散。土壤表面群落的组装过程可能与土壤内部不同，反映了不同的环境选择压力和微生物扩散途径。虽然扩散限制在干旱土壤中BSC细菌群落的组装中起着重要作用，但确定性和随机性组装过程的相对重要性尚未明确。水分和养分可用性等因素也可能影响这些过程，但涵盖土壤表面群落更广泛生物多样性的综合研究仍然不足（Li and Hu, 2021）。

通常，微生物群落组装过程是在某一时间点进行表征的（Danczak et al., 2018; Chai et al., 2016）。然而，微生物群落组成随时间变化（Barnes et al., 2016），目前尚不清楚这些组装过程是否随时间保持一致。这对于理解土壤表面群落尤为重要，因为它们的形成需要很长时间，而且随着BSC的发展，土壤性质、形态和相关生物多样性会发生显著变化。

尽管人们认识到土壤表面光合生物对干旱地区生物地球化学循环的重要性，但在分子水平上的理解仍然有限。宏基因组分析表明，干旱地区BSCs中光合作用过程非常活跃，检测到了核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RUBISCO）和3-羟基丙酸循环途径（Steven et al., 2012; Li et al., 2020）。此外，在干旱地区BSCs的宏基因组中还检测到了多种氮转化途径，包括同化性和异化性硝酸盐还原、反硝化和氮固定。这些途径在不同类型的干旱地区BSCs中的相对重要性似乎有所不同（Wang et al., 2021; Li et al, 2020）。对土壤表面群落中生物地球化学循环途径的更广泛功能分析仍有待研究。重要的是，即使在干旱土壤中，也不清楚土壤表面生物地球化学功能相对于土壤内部的改变程度。

在这项研究中，我们探讨了土壤表面群落如何受到演替动态、生态组装过程和与土壤内部功能差异的影响。通过每月采集土壤表面和土壤内部的样本，我们实现了以下具体目标：1. 确定土壤表面光合生物、细菌、真菌和原生生物群落的时间演替；2. 量化表面土壤和内部土壤之间确定性和随机性组装过程的差异及其随时间的变化；3. 利用宏基因组分析，将表面群落的发展与碳、氮、磷和硫循环途径的功能差异联系起来。我们证明了温带农业系统的土壤表面是一个在生态和功能上与土壤内部不同的区域。

研究地点

2016年11月至2017年8月期间，在英国韦尔斯伯恩（Wellesbourne）华威作物中心（Warwick Crop Centre）的布拉德利田地（Bradley’s field，坐标52.213833°N, -1.605683°E）采集了土壤样本，这些样本是在冬小麦（Triticum aestivum）生长之前和生长期间采集的。该田地之前种植了油菜（Brassica napus），油菜于2016年7月收获。在初次采样前两周，该田地进行了6英寸的保护性耕作，随后播种了小麦。

土壤表面光合生物层的发展

到1月份（70天）时，土壤表面已经形成了绿色层；到8月份（270天）时，土壤表面似乎主要由苔藓占据（图1a）。双向ANOVA显示，叶绿素a浓度在土壤表面（表面土壤）和内部土壤（bulk soil）之间存在显著差异（p < 0.0001），线性回归显示叶绿素a与土壤表面时间之间存在强正相关（R2 = 0.8042, p < 0.0001），但在内部土壤中则没有这种相关性。

土壤表面生物的快速分化

在采样开始时，耕作确保了表面土壤和内部土壤之间的群落组成没有差异。仅在4周后，分子证据就显示土壤表面富集了黄绿藻（Xanthophyceae），随后出现了轮藻类绿色藻（Klebsormidiophyceae）和蓝细菌（Phormidium和Microcoleus）的增多。而Xanthophyceae

作者贡献声明

克里斯托弗·詹姆斯·奥格雷迪（Christopher James O’Grady）：撰写初稿、方法论、研究设计、数据分析、概念化。加里·道格拉斯·本丁（Gary Douglas Bending）：撰写初稿、监督、资源协调、项目管理、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念化。克里斯托弗·J·范德加斯特（Christopher J. van der Gast）：撰写与编辑、监督、方法论。亨德里克·谢弗（Hendrik Sch?fer）：撰写与编辑、监督、方法论。塞巴斯蒂安·拉吉多（Sebastien Raguideau）：撰写

未引用参考文献

Belnap, 2003; Broad, 1979; Crouzet et al., 2019; Dini-Andreote et al., 2015; Ghimire, 2010; K?ljalg et al., 2005; McDonald et al., 2011; Moreira-Grez et al., 2019; Quast et al., 2012; Revankar and Sutton, 2010; Richter-Heitmann et al., 2020; Ritchie, 2006; Stegen et al., 2012; Türk and G?rtner, 2001.

数据声明

本研究中报告的原始序列和OTU数据集可在NCBI Sequence Read Archive中找到，BioProject ID为PRJNA718625。原始和组装的宏基因组序列文件已存放在NCBI，访问号为SRR31479107。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢自然环境研究委员会（资助编号NE/S010270/1）和生物技术和生物科学研究委员会（项目编号1643131）以及米德兰斯综合生物科学培训伙伴关系提供的资金支持。