《Ecosphere》：Multiple dimensions of plant diversity predict microbial community composition in grassland soils
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本文以北美管理草原为研究对象，通过多年期实地调查，探究了不同维度植物多样性（包括分类学、功能性状和系统发育）如何塑造土壤细菌和古菌群落。研究发现，植物与微生物的贝塔多样性（beta diversity，即群落间组成差异）存在显著且一致的正相关，尤其是在功能性状维度表现最强；而二者的阿尔法多样性（alpha diversity，即单一地点内物种丰富度）则普遍无显著关联。这一结果表明，在较大空间尺度上，维持具有空间异质性的植物群落（即不同地块拥有不同的物种组合、功能性状谱系或进化历史），是促进土壤微生物群落功能多样性、进而支持生态系统功能稳定与恢复的关键。本研究为通过基于景观尺度的植物多样性管理来调控土壤微生物驱动的地上-地下生态系统过程，提供了重要的科学依据。
引言
土壤微生物群落是陆地生态系统中极其多样且必不可少的组成部分。它们驱动着诸如养分循环、碳固存、植物凋落物分解和土壤团聚体形成等关键的生态系统功能。因此，重要的生态系统过程和功能会随着土壤微生物的多样性和组成而变化。了解塑造土壤群落的因素，有助于我们理解人类活动对土壤的影响如何损害生态系统功能，以及如何管理土壤以减轻这些损害。
植物多样性是驱动土壤微生物多样性的一个潜在因素。植物有潜力通过沉积凋落叶、分泌根系分泌物以及用其根系改变土壤条件，来改变土壤微生物群落的周围环境。由于不同植物物种的植物输入和性状（如根系形态）存在广泛差异，这些相互作用可能塑造出植物特异性的微生物群落。尽管这种关系已在多种系统中被研究，且植物与微生物多样性之间存在普遍的正相关关系，但这些研究涵盖的研究系统、尺度和方法学范围很广，导致了不一致的结果。
这种差异的一个来源是，研究是比较阿尔法多样性（如丰富度或香农多样性）还是贝塔多样性（群落间组成的相异性）的成对度量。例如，Prober等人（2015）发现植物和土壤阿尔法多样性无关，但贝塔多样性呈正相关。一些研究在其他植物-微生物系统中也发现了植物和微生物贝塔多样性之间的这种正相关，但其他研究则显示阿尔法和贝塔多样性均存在关系，或植物与微生物多样性之间没有关系。
虽然大多数研究通过基于物种身份的分类学多样性度量来量化植物效应，但阿尔法多样性和贝塔多样性都可以使用功能性状或系统发育信息来描述。描述凋落物或根系沉积物如何影响微生物的上述假设意味着，群落水平的植物性状测量可能比单纯的分类学身份更直接地与土壤多样性和组成相关。许多叶片和根系性状表现出系统发育信号，这表明植物的进化背景也可能与微生物多样性相关，特别是如果其他未测量的、在系统发育上保守的植物性状是微生物群落结构的重要驱动因素。
在本研究中，我们结合了两个多年期数据集，来考察一个管理的温带草原中植物群落与土壤细菌和古菌（以下简称微生物）群落之间的关系。我们旨在回答两个相互关联的问题：（1）土壤微生物的阿尔法多样性和贝塔多样性是否与植物的阿尔法多样性和贝塔多样性相关？（2）这种关系是否取决于所考虑的植物生物多样性维度（即分类学、功能或系统发育）？
方法
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研究地点
所有数据均采集自美国伊利诺伊州北部的Nachusa草原保护区。该保护区主要是恢复和遗留的高草草原的混合体。本研究聚焦于“恢复草原生态系统功能”项目的13个恢复草场单元和2个遗留草场。所有地点都经历了相似的火灾管理和入侵杂草控制。一个管理的美国野牛群可以进入其中七个恢复地点和一个遗留地点。
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植物群落
在每个地点的60米×60米研究网格中，设置了10个永久植被调查样方。在2016年至2020年每年生长旺季（7月底或8月），记录每个样方中所有植物物种并估算其基面积。我们将所有10个样方的数据合并来描述地点水平的植物群落。
我们计算了三种植物阿尔法多样性度量：香农多样性（分类学）、功能离散度（FDis，功能性状）和标准化平均成对距离（MPDSES，系统发育）。功能离散度是群落中物种在性状空间中到群落质心的平均距离。MPDSES允许比较物种丰富度不同的地点。我们为每个物种编制了性状数据，包括功能群、根系形态和叶片碳氮比。
我们使用了三种植物贝塔多样性度量：布雷-柯蒂斯相异性（分类学）、标准化成对βMPD（系统发育）和基于上述性状的高氏相异性（功能性状）。这三种方法都生成了群落间的成对相异性矩阵。
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土壤微生物群落
土壤样本于2016年至2020年每年7月或8月采集。在每个地点，采集5个表层土壤样本，混合后冷冻保存。微生物DNA从土壤中提取，使用针对16S rRNA基因V4区的引物进行扩增和测序。使用QIIME2和DADA2流程处理测序数据，得到扩增子序列变体，并使用Silva数据库进行分类学分配，去除了线粒体和叶绿体序列。
微生物阿尔法多样性计算为稀释后的（属水平）丰富度。由于基于序列的群落数据是成分性的，我们使用中心对数比转换后的欧几里得距离（即艾奇逊距离）来考察微生物的贝塔多样性。
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统计分析
我们使用皮尔逊相关检验分析植物和微生物阿尔法多样性之间的关系，包括植物分类学、功能或系统发育多样性。由于每年样本单独处理，我们将每个采样年视为独立试验。为检验微生物和植物贝塔多样性之间的关系，我们使用曼特尔检验，比较微生物贝塔多样性与植物分类学、功能或系统发育贝塔多样性。
为检验直接的非生物土壤环境效应，我们使用了土壤pH、碳氮比和含水量。对于阿尔法多样性，我们首先构建了以微生物稀释丰富度为因变量、三个土壤测量值为解释变量的线性模型。对于贝塔多样性，我们使用了基于距离矩阵的多元回归。
结果
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阿尔法多样性关系
植物的阿尔法多样性很少能预测微生物的阿尔法多样性。在五年中，仅2016年的植物系统发育多样性与微生物多样性呈显著正相关。所有其他相关性均不显著，且相关性的强度和方向变化很大。
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贝塔多样性关系
植物和微生物的贝塔多样性之间存在更强、更一致的相关性。每年至少有一个植物生物多样性维度与微生物组成显著相关。植物的功能性状贝塔多样性在五年中的四年是微生物群落的显著预测因子，且这些关系通常比分类学或系统发育贝塔多样性的关系更强。所有贝塔多样性相关值均为正值。
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土壤环境的影响
土壤环境与微生物多样性关系不大。对于阿尔法多样性，所有整体模型均不显著，唯一显著的个体土壤变量是2016年的pH值，与微生物丰富度呈正相关。同样，所有基于距离矩阵的多元回归模型均不显著，除2016年的土壤湿度外，所有个体变量也均不显著。
讨论
我们的研究结果表明，植物和微生物群落的贝塔多样性表现出一致的关系，而阿尔法多样性则没有。也就是说，具有更多物种、更广泛性状或包含更多样进化历史的植物群落，并不一定支持更多样化的细菌和古菌群落。相反，植物和微生物贝塔多样性之间存在强烈的、一致的、正相关：共享许多植物物种、或由具有相似性状分布或进化历史的植物组成的群落对，也支持了具有广泛分类学重叠的土壤群落。
植物和微生物阿尔法多样性之间普遍缺乏正相关关系有些出乎意料，因为其他类似研究在草原和森林中都检测到了这种效应。一种可能性是，即使某些植物物种促进或抑制了周围土壤中的特定微生物类群，受影响类群的数量也因植物而异，从而使植物多样性与微生物多样性脱钩。此外，微生物之间存在复杂的相互作用，这可能使得预测整体多样性结果具有挑战性。我们承认，我们对微生物群落的表征仅限于原核生物。土壤真菌可能对植物的反应更强烈，从而导致直接的多样性正相关关系，实证证据也支持这一点。
在所有五个采样年份中，植物和微生物的贝塔多样性都存在关联，尽管每年起主要作用的植物多样性维度有所不同。这与Leff等人的结果形成对比，他们发现分类学身份比植物性状或系统发育是更好的预测因子。在我们的研究中，描述叶片性状、根系性状和功能群群落水平变异的植物功能组成，与微生物组成的关系最强、最一致。系统发育贝塔多样性也能预测微生物贝塔多样性，这可能意味着我们这里包含的性状捕捉了驱动土壤组成的大部分变异。植物和土壤微生物共同进化，并可能参与物种特异性的关联，这些关联可能部分解释了我们的结果。
我们研究设计的几个方面可以进一步了解植物-微生物相互作用。首先，将植物驱动的效应与其他环境效应分开是具有挑战性的。通过利用单个保护区内植物群落的变化，我们的采样点彼此靠近，这限制了地点之间气候和土壤的非生物差异。所有地点都经历了相同的天气条件，具有相似的土壤组成，并且在土壤pH、碳氮比和湿度方面的地点间差异很小。这些土壤参数也与微生物阿尔法和贝塔多样性基本无关，这种控制为植物群落效应提供了更清晰的图景。其次，通过多年监测我们的地点，我们发现不同采样年份之间的结果存在一些差异，特别是哪些维度的植物贝塔多样性预测了土壤群落组成。可能存在几个变异来源，可以改变这些年际模式。年际天气变化影响植物和微生物，使得一些类群从高降水年份受益，或因不耐旱物种竞争减少而占据优势。再次，我们研究的空间和时间尺度具有参考价值。空间尺度包括整体研究的范围和单个样本的采集尺度。过去研究结果的不一致被归因于整体尺度。然而，我们的局地尺度结果与Prober等人的结果一致，因此即使在局地尺度，贝塔多样性关系也可能强于阿尔法多样性。检测植物群落效应还可能取决于单个样本的尺度。许多研究将小样方（1平方米或更小）的植物和微生物配对，但我们将约1公顷区域的植物和土壤样本进行了合并。小样方可以更精确地估计单个植物或一小群共现植物根际的微生物多样性，但给定位置的植物沉积物可能来自更广泛的区域，因为地上的凋落物会混合和移动。最后，如果遗留效应持续存在，或者植物-微生物模式需要时间才能显现，那么时间尺度可能很重要。
这些结果对土地管理和保护具有潜在意义。在我们研究的尺度上，简单地增加植物多样性不太可能导致微生物多样性持续增加。然而，多样性下降（在草原恢复后经常发生）不一定会导致土壤多样性降低。相反，建立和培育空间异质性的植物群落，将支持类似的异质性土壤群落。如果这种植物异质性通过纳入具有独特性状或来自不同进化枝的植物，包含了功能或系统发育的异质性，则可以最大化这些益处。由于土壤微生物多样性驱动着许多关键的生态系统功能，由此产生的环境条件范围可以为其他营养级的多样化物种提供额外的生态位空间，从而增加整体生物多样性并支持保护目标。鉴于真菌在生态系统功能中的作用，以及植物与菌根真菌之间的紧密关联，我们期待将这些重要的土壤群落成员纳入研究，以确定我们的模式在细菌和古菌之外是否依然成立。
