纤毛鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)：通过“EPS介导的生态位过滤-功能群富集-协同网络组装”级联，驱动蓝藻生物结皮(Cyano-BSCs)形成的核心工程师

《Microorganisms》：The Importance of Microcoleus vaginatus in Shaping Bacterial Communities Essential for the Development of Cyanobacterial Biological Soil Crusts Ziqing Guo, Chunying Wang, Yanfu Ji, Kai Tang, Huiling Guo, Jianyu Meng, Xiang Ji and Shengnan Zhang

本文是一项聚焦于干旱区生态修复的前沿研究。它通过对比固氮蓝藻细鞘丝藻(Leptolyngbya sp.)与非固氮蓝藻纤毛鞘微鞘藻(M. vaginatus)，系统揭示了后者在人工蓝藻生物结皮(Cyano-BSCs)形成中的核心引擎作用。研究指出，M. vaginatus通过分泌胞外聚合物(EPS)均质化微环境，抑制细菌群落的随机扩散，强化确定性选择，从而构建了一个以蓝藻为中心、高度协同的微生物网络(89.74%正连接)。这种“蓝藻-群落-环境”的正反馈循环，显著提升了结皮覆盖率、有机质(OM)和叶绿素a(Chla)含量，并富集了固氮功能基因(nifH)。相比之下，虽具固氮潜力但缺乏EPS介导的微生境构建能力的Leptolyngbyasp.，则难以驱动有效的群落组装与结皮发育。该工作为干旱区人工生物结皮的定向恢复提供了关键菌种选择与理论框架。

　　

纤毛鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)在塑造蓝藻生物结皮关键细菌群落中的重要性

1. 引言

荒漠化是当今世界面临的最重大、最紧迫的生态问题之一。生物土壤结皮(Biological soil crusts, BSCs)作为干旱和半干旱生态系统的关键组成部分，是由细菌、真菌、蓝藻、地衣、苔藓和土壤颗粒相互作用形成的特殊结构。由于其耐受高温、干旱和强辐射等极端环境的能力，BSCs自然生长所需水分极少且易于维护，使其成为沙漠地区生态修复的最佳选择。它们在改善土壤养分条件、促进碳氮循环、推动土壤微生物和植被演替以及增强生物多样性方面起着至关重要的作用。

蓝藻生物结皮(Cyanobacterial biological soil crusts, Cyano-BSCs)构成了BSCs的初始发育阶段，是支撑这些结皮形成和后续演替的关键时期。蓝藻作为BSCs的先驱物种，不仅通过光合作用提供有机碳源，还通过固氮作用将大气中的游离氮转化为生物可利用形式。据估计，BSCs每年贡献约3.6 Pg C的全球净碳吸收和约107 Tg N的氮固定。在BSCs中，具有不同功能的蓝藻如何塑造潜在的微生物结构和组装规则尚不清楚。本研究聚焦于内蒙古沙漠地区的Cyano-BSCs，收集原位Cyano-BSCs样本，分离藻类资源，旨在通过原位接种培养Cyano-BSCs，重点研究固氮和非固氮蓝藻对Cyano-BSCs形成和功能的差异化影响。

2. 材料与方法

本研究于2023年5月从内蒙古多个沙漠地区采集BSCs样本。使用研磨后的结皮浸出液以及从沙漠地区分离出的丝状固氮蓝藻细鞘丝藻(Leptolyngbya sp.) CT01和非固氮蓝藻纤毛鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus) CM01作为目标物种。将沙土置于塑料培养盒中，建立了六种处理，每种处理五个重复：未接种对照(仅土壤，S)；仅接种结皮浸出液(土壤+细菌，SB)；仅接种M. vaginatusCM01藻泥(土壤+M. vaginatus，SM)；共接种结皮浸出液和M. vaginatusCM01(土壤+M. vaginatus+细菌，SMB)；仅接种Leptolyngbyasp. CT01藻泥(土壤+Leptolyngbyasp.，SL)；共接种Leptolyngbyasp. CT01和结皮浸出液(土壤+Leptolyngbyasp.+细菌，SLB)。Cyano-BSCs的培养期为30天。每天喷洒无菌水，每周添加BG11营养液。

采样后，立即进行视觉观察和理化分析。测定叶绿素a(Chla)和土壤有机质(OM)。从每个样本中提取DNA，对细菌16S rRNA基因的V3–V4区进行扩增子测序。使用定量PCR(qPCR)绝对定量细菌16S rRNA、真菌18S rRNA、蓝藻16S rRNA和固氮微生物nifH基因的拷贝数。基于Spearman相关进行网络分析，构建微生物共现网络。应用中性群落模型(Neutral community model, NCM)量化细菌群落组装中随机扩散和确定性选择的相对贡献。采用结构方程模型(Structural equation modeling, SEM)评估不同藻种应用下土壤理化性质和关键节点影响细菌群落结构的潜在机制。

3. 结果

3.1. 不同处理下Cyano-BSCs的生长状况

接种M. vaginatus显著促进了Cyano-BSCs的形成，并增加了表层有机质(OM)和Chla含量。未接种藻类的处理(S, SB)未观察到Cyano-BSCs形成。接种Leptolyngbyasp.导致了Cyano-BSCs形成，但覆盖率较低(3.10%)。培养30天后，SM和SMB处理组的Cyano-BSCs覆盖率和OM含量均显著高于其他处理。SM处理达到了最高的Cyano-BSCs覆盖率(23.33%)。最高的OM含量(4.10 g·kg^?1)记录在SMB处理中。Chla浓度也呈现一致趋势，SMB组的值(13.40 μg·g^?1)显著高于所有其他处理。

3.2. 细菌、真菌、蓝藻和固氮基因的丰度

接种M. vaginatus的处理(SM, SMB)中，细菌和蓝藻16S rRNA基因以及固氮微生物nifH基因的拷贝数均显著高于所有其他处理。具体而言，SMB处理中nifH基因的丰度是SL处理的3.00倍。单一细菌接种处理(SB)的16S rRNA、18S rRNA和nifH基因拷贝数较低。M. vaginatus处理(SM, SMB)中的蓝藻16S rRNA基因拷贝数至少是SL和SLB处理的5倍。相比之下，Leptolyngbyasp.处理(SL)对真菌和固氮微生物表现出特定的富集效应。

3.3. Cyano-BSCs中细菌群落组成和多样性

基于Bray–Curtis距离的主坐标分析(PCoA)显示，接种处理间的细菌组成存在显著差异。香农指数在单一细菌接种(SB)、M. vaginatusCM01(SM)和Leptolyngbyasp. CT01(SL)处理间差异显著。细菌-M. vaginatus共接种(SMB)显著提高了所形成的Cyano-BSCs的香农指数(7.72 ± 0.09)。在门水平上，共鉴定出十个主要细菌门，其中九个优势门主导群落结构：变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、蓝藻门、拟杆菌门等。接种M. vaginatus的处理(SM, SMB)主要富集了诸如Rhodobacter、Mesorhizobium、Paracoccus、Bacillus和Lysinibacillus等细菌类群。

3.4. Cyano-BSCs中细菌的共现网络模式

网络复杂性分析证实了接种M. vaginatus(SM和SMB)所带来的微生物招募优势。对照组(S)仅包含263个节点和3698条边。相比之下，SM处理的节点数(319)和边数(5536)不仅显著高于对照，也高于单一Leptolyngbyasp.接种(SL)。值得注意的是，SM组在所有组中具有最高的正连接比例(89.74%)，平均度(avgK)为34.71，网络密度(D)为0.109。相比之下，协同接种处理(SMB)实现了网络结构优势的倍增增强，其边数(8497)、平均聚类系数(avgCC = 0.658)和网络密度(D = 0.239)均显著增加，形成了一个高度聚集的微生物共现网络。

基于Zi-Pi图，鉴定了关键物种。所有处理中均未发现网络枢纽。然而，观察到关键物种特征的显著差异。仅未接种对照(S)含有模块枢纽。SB、SM、SL和SLB处理中的关键物种均为连接器，具有不同的门水平组成。值得注意的是，接种M. vaginatus的处理(SM, SMB)的共现网络直观显示，来自蓝菌门和变形菌门的节点始终表现出更大的尺寸和更密集的连接。

3.5. 蓝藻功能分化驱动的细菌群落组装机制

应用斯隆中性群落模型(NCM)量化了Cyano-BSCs内细菌群落组装过程中随机扩散和确定性选择的相对贡献。高R²值对应于随机过程(随机扩散)占主导，而低R²值反映了确定性选择的影响。结果显示，未接种对照(S)的R²最高(0.783)，其次是细菌接种对照(SB, R²= 0.767)，表明随机过程是这些处理中的主要驱动因素。蓝藻接种后，中性过程的贡献普遍降低。固氮Leptolyngbyasp.单接种组(SL, R²= 0.751)及其共接种组(SLB, R²= 0.709)仍表现出随机过程占主导。相比之下，非固氮M. vaginatusCM01单接种组(SM, R²= 0.698)在其共接种组(SMB, R²= 0.674)中进一步降低。SMB组还显示出最低的迁移率(Nm = 2.126 × 10³)，表明确定性选择显著增强。

这一发现与前述共现网络分析的结论一致。M. vaginatus可能通过分泌EPS均质化微生境，从而抑制随机细菌扩散(表现为低R²和Nm值)，同时加强了确定性选择在群落组装中的调控作用。相反，Leptolyngbyasp.似乎缺乏这种微生境调节能力，导致随机过程的相对贡献保持在较高水平。

为阐明蓝藻促进Cyano-BSCs发育的内在机制，采用结构方程模型(SEM)分析了蓝藻物种、微生物群落结构和关键物种对Cyano-BSCs发育核心指标(覆盖率和OM)的影响。结果显示，接种M. vaginatus对微生物群落重组产生了显著的正向驱动效应(路径系数 = 0.59)。重组后的微生物群落进而直接调控了与Cyano-BSCs发育相关的环境和生长因子(路径系数 = 0.64)。这表明M. vaginatus并不直接影-响Cyano-BSCs的形成过程，而是通过驱动微生物群落内部的结构重组和类群选择，间接地提高Cyano-BSCs的覆盖率和OM积累。蓝藻接种与微生物群落重组之间的协同相互作用构成了该处理中促进Cyano-BSCs发育的核心机制。与之形成鲜明对比的是，在Leptolyngbyasp.接种处理中，未检测到蓝藻接种、微生物群落和Cyano-BSCs发育之间存在显著的关联路径。这突显了蓝藻物种特异性性状对Cyano-BSCs形成调控通路的决定性影响。

4. 讨论

4.1. M. vaginatus在塑造群落结构中的作用

沙漠蓝藻是干旱和半干旱生态系统BSCs发育的核心生态引擎，在BSCs内表现出高度多样性。由于其独特的生理代谢和微生境改造能力，它们是裸沙生境的首批定殖者之一。在定殖过程中，它们不断分泌EPS，通过物理结合、保水和保肥来改善微生境。这种改善促进了生物结皮内聚集体的形成。此类改善降低了非生物胁迫的强度，增加了微生物之间生物相互作用(合作与竞争)的重要性，为更多样化的微生物类群以及后续地衣和苔藓的定殖创造了有利条件。这驱动BSCs朝着以地衣和苔藓为主导的更复杂结构和更稳定功能发展。

M. vaginatus介导与相关蓝藻圈异养微生物的碳(C)和氮(N)交换，通过异养微生物的固氮功能在其周围形成一个专门的固氮微生物生态位。本研究中，接种M. vaginatus的处理显著富集了多种固氮属，包括Mesorhizobium、Lysinibacillus和Rhodobacter。这进一步证实了与M. vaginatus相关的微生境具有招募和富集固氮微生物的能力。此外，在该处理中还检测到一些已知分泌EPS的属，表明在相关微生物群落中同时存在固氮和产EPS的功能群。这些结果表明，M. vaginatus可能通过对相关微环境的筛选效应，增强对同时具有固氮和EPS合成能力的微生物的招募。这些微生物的功能互补性可以为微生物Cyano-BSCs的形成提供结构支持(由EPS介导)和营养供应(通过固氮)，从而加强Cyano-BSCs的生态功能。

微生物相互作用网络的重组是M. vaginatus调控Cyano-BSCs发育的另一核心途径。在SM和SMB组中，蓝藻16S rRNA基因的拷贝数至少是SL和SLB组的5倍，在门水平上蓝菌门的相对丰度达到40.40%。同时，在本研究中，细菌-M. vaginatus共接种组(SMB)形成的Cyano-BSCs的香农指数(7.72 ± 0.09)显著升高，并且该指数高于Leptolyngbyasp.接种组。这些结果证实，人工接种M. vaginatus可以有效模拟天然生物结皮中微生物群落的组装模式。此外，这种群落构建不仅仅是物种的简单富集，而是通过微生物相互作用网络的重组来加强合作功能。SM组细菌的共现网络分析显示有319个节点和5536条边，正连接比例高达89.74%。平均度(34.71)和网络密度(0.11)是单接种组中最高的，反映出了高度的合作性。当M. vaginatus与土著微生物共接种(SMB)时，网络的聚类系数(0.66)达到峰值，密度(0.24)直观地展示了核心物种与周围微生物群落产生的“协同招募”效应，从而为Cyano-BSCs的发育创造了有利的微生态条件。

值得注意的是，尽管M.