土壤細菌的全球地圖
一、論文ID
原名：A global atlas of the dominant bacteria found in soil
譯名：全世界土壤中的優勢細菌
期刊：Science
IF：37.205
發表時間：2018年
通信作者：Manuel Delgado-Baquerizo
通信作者單位：Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Colorado
二、論文概述
土壤中的細菌種類眾多，但是想要準確描述數千種細菌的生態特性顯然是不可能的。大多數土壤細菌並不能完全的匹配到基因資料庫，我們僅有相對較少的基因組信息。由此我們對於大多數土壤細菌的代謝能力，功能預測和環境的偏好仍知之甚少。
以往研究表明，在任何一組土壤樣品中通常只有一小部分的土壤細菌。但是，我們也知道，與大多數「微生物」群體一樣，並不是所有的細菌類群在土壤中都表現出同樣豐富度。常常有某種土壤細菌比其它細菌丰度更高。而且當土壤樣品的取樣點間隔很遠時，各個土壤樣品中細菌的丰度也會有所不同。因此，確定土壤中的優勢細菌和它的生態屬性是推進我們對土壤細菌群落認識的一個關鍵步驟。
通過文獻了解到土壤中的細菌十分豐富，並且會受到植被類型，營養物質和氣候等因素的影響。如果人們能夠充分了解常見土壤細菌的生態屬性，這將有助於我們在體外進行細菌的成功培養，認識到細菌與周圍生境變化的聯繫，也將有助於我們更好的管理優勢土壤細菌。
對來自遍布六大洲和18個國家的237個地點的表層土壤中的細菌群落進行分析：（1）確定了全球最主要的土壤細菌;（2）確定這些顯著細菌趨向共存並且具有相似的環境偏好; （3）繪製全球主要土壤細菌群落的丰度圖;（4）區分具有不同環境偏好下細菌的基因組特性。
通過16S rRNA基因測序技術鑒定出最主要的細菌種類，數據顯示全球的細菌群落在多樣性和組成方面存在顯著差異。此外，還發現有少部分的優勢細菌在不同採樣點同時出現。根據作者確定的研究標準，土壤中只有2%的細菌種系型（phenotype）佔主導地位的。根據觀察發現，少見且丰度相對較低土壤細菌菌群在大多數土壤中均有發現。研究結果對比地球微生物項目證實細菌中的相對丰度較小的種系型在全球土壤中卻佔據著主導地位。
從數據集中確定的主要細菌種系型在各土壤環境中含量均十分豐富。因此，之後所有下游分析都集中在佔據主導地位的511種主要的細菌種系型。這511種中含量最豐富分布最廣的包括Alphaproteobacteria，Betaproteobacteria，Actinobacteria，Acidobacteria和Planctomycetes。
圖1 全球主要土壤細菌種系型的丰度和組成
在確定了其中主要的細菌種系型後，作者使用隨機森林模型來確定每個種系型的棲息地偏好情況。該模型包括15個環境因子：氣候，紫外輻射，土壤理化性質和主要生態系統類型等。其中土壤pH值，氣候因子和植物生產力是全球土壤細菌最顯著的預測因子。但是研究者無法確定511個種系型中剩餘的241個的生態偏好。這可能是由於作者並沒有充分的考慮到細菌與植物，細菌與真菌之間的聯繫，才會造成無法預測的結果。然而這241個未確定種系型的相對丰度變異係數顯著低於其餘可以確定棲息地偏好的變異係數。由此說明，未確定的種系型在全球土壤中普遍存在的主導種系型中的比例丰度相對不變。其中200個種系型可以通過5個因素進行區分，包括高pH值、低pH值、旱地、植物低生產力和乾燥的森林環境。發現棲息地偏好現象在粗略區分的水平上與系統發育沒有直接聯繫。
圖2 鑒定優勢土壤細菌種系型的棲息地偏好
在旱地集群內的基因組發現具有顯著較高的相對丰度的基因有18個，作者推斷這些基因對於提高細菌對鹼性或鹽條件的耐受性有關。研究人員認為有可能通過基因組特性來確定區分具有不同環境偏好的土壤細菌。隨著微生物參考基因組收集量的增加，也為人們使用基因組數據預測土壤細菌類群的分布鋪平了道路。
全球土壤中存在可預測的顯性細菌種系型。可以利用環境信息用來建立全球細菌分布的預測圖。研究人員運用預測回歸模型建立了四個主要的生態集群和12個環境變數的信息，藉此人們可以了解全球的細菌分布。通過預測圖確定了主要細菌種系型的地區豐富度，經過驗證與預期結果一致，如：全球旱地和低生產力地區的特有的細菌種系型相對豐富，在低pH或高pH土壤的地區也表現出相同的特徵。
圖3 土壤中優勢細菌的全球地圖
研究人員可以預測超過一半的環境偏好細菌，使得預測未來環境變化對細菌菌群空間分布的影響成為可能。鑒於全球細菌種系型的分布與其功能屬性之間的密切聯繫，人們預測這些優勢細菌將成為全球土壤變化的主導作用和關鍵指標。縮減研究中擬定的種系型數量將為更準確地了解土壤細菌群落結構提供便利，也對準確預測全球環境變化帶來的生態後果至關重要。
本文由微生態殷繼忠編譯，殷繼忠、江舜堯編輯。
TAG:微生太 |