iMeta | 蒋瑀霁/陈利军等-解析了细菌网络稳定性对玉米产量的影响

揭示产碱性磷酸酶细菌的多样性及网络稳定性动态演替在调控玉米产量方面的关键意义

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●  秸秆施用提升了土壤产碱性磷酸酶细菌多样性的时间演替；

●  秸秆施用提高了土壤产碱性磷酸酶细菌网络的稳定性；

●  土壤产碱性磷酸酶细菌多样性提升促进了网络稳定性的增加；

●  土壤产碱性磷酸酶细菌多样性和网络稳定性协同提升了土壤磷有效性和玉米产量。

引  言

土壤细菌群落动态影响了土壤—植物系统，调节了养分效率和植物生产力。土壤中磷（P）的有效性限制了农业系统维持世界上人口增长的能力，是全球作物生产力提升面临的一个重大挑战。此外土壤磷的有效性可以决定细菌类群的生长和周转速度，从而影响细菌群落的时间动态分布和结构。农业生态系统中，秸秆施用可以通过调节土壤产碱性磷酸酶（ALP）细菌群落促进土壤有机磷矿化作用来提高磷的供应和有效性。但也有一些研究表明，秸秆添加对产生土壤ALP细菌群落的多样性和结构没有影响，甚至存在负面影响。然而，关于长期施用秸秆对土壤中产生碱性磷酸酶（ALP）细菌群落的动态演替性的研究很少。

细菌在复杂群落中的共存是种间互作和稳定平衡机制相互作用的结果。了解细菌群落时空周转的生态学机制对于确定潜在的物种相互作用模式至关重要。细菌群落的稳定性主要归因于物种多样性，生物多样性对微生物稳定性具有积极的影响已是共识。以往的研究主要集中在通过建立生态模型或解析简单群落来理解微生物多样性与稳定性之间的内在关系。迄今为止，关于在秸秆施用下土壤ALP细菌多样性的变化是如何改变群落稳定性的问题缺乏完整研究。

土壤中的磷循环与ALP菌群多样性和网络稳定性的改变密切相关。研究细菌多样性和网络稳定性的时空变化为理解功能活动的机制提供了理论基础。施用不同类型的秸秆（如秸秆和秸秆生物炭）可以通过调节ALP菌群和提高ALP活性，改善土壤磷循环动态。因此，研究特定ALP细菌种群对不同秸秆添加的响应，可以为微生物磷代谢活动提供深刻的见解。然而，细菌多样性和网络稳定性的时空动态如何调节土壤养分平衡仍不清楚。

因此，我们以年为时间尺度评估了产碱性磷酸酶的细菌（phoD 基因）多样性和网络稳定性的时间动态，并将观察到的模式与它们在不同秸秆添加条件下对土壤磷动态的影响联系起来。具体而言，我们通过连续7年的田间试验，研究了添加或不添加秸秆的ALP细菌群落的年演替情况。本研究旨在探究：(i) 不同秸秆施用是如何以及其在多大程度上影响ALP细菌群落的时间演替；(ii)ALP细菌群落多样性演替模式如何与网络稳定性相关联；以及 (iii) ALP细菌群落的多样性和稳定性如何促进土壤磷素有效性和玉米产量。

结果和讨论

土壤性质和产碱性磷酸酶细菌多样性的时间动态变化

与不施肥处理（CK）相比，施肥处理（化肥（N）、化肥配合秸秆还田（NS）、化肥配合秸秆和猪粪（NSM）以及化肥配合秸秆生物炭施用（NB））下土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、有效磷（AP）和有效钾（AK）的平均值随时间显著增加（p < 0.05）（图 S1）。根据Shannon指数（r² = 0.10−0.93）和 Chao1 丰富度（r² = 0.17−0.91）可知，与 CK 和 N 处理相比，三种秸秆施用（NS、NSM 和 NB）处理产碱性磷酸酶（ALP）细菌多样性随着时间的推移显著增加（p < 0.001）（图 S2）。ALP细菌群落在NS、施NSM和NB处理下的Shannon指数（斜率= 0.29 −0.37）和Chao1丰富度（斜率= 47.94−78.67）的斜率均显著高于N处理（斜率分别为0.14和22.87），且在第3年后显著升高（图S2，表S1）。并利用Spearman相关和向前逐步回归分析了土壤性质和细菌生态位对ALP细菌多样性的影响（图S2）。据报道，土壤肥力可通过增强生态位结构和环境异质性来促进更多微生物共存。秸秆施用增加了土壤环境的异质性，最终导致物种多样性随时间而增加。这一点进一步通过生态位宽度指数（Bn）和生态位重叠指数（On）得到了证实，与对CK和N 相比，秸秆施用处理的ALP细菌的Bn（r² = 0.61− 0.86）和On（r² = 0.47−0.72）斜率更高（图 S3）。

图1. 秸秆施用对土壤产碱性磷酸酶细菌网络稳定及玉米产量的影响

（A）田间试验土壤产碱性磷酸酶细菌共发生网络。连线表示OTUs间的互作关系稳定（Spearman 's r > 0.8或< - 0.8）且显著（p < 0.01）。每个节点的大小与连线数成正比。节点和线按模块着色。（B）基于随机移除节点的网络鲁棒性。不同小写字母表示柱状图差异显著（经Tukey检验，p < 0.05）。（C）不同处理下网络脆弱性的时间动态和|负内聚力：正凝聚力|。网络脆弱性是指每个网络中的最大节点脆弱性。（D）网络拓扑性质与土壤特性之间的Pearson相关性。（E）土壤碱性磷酸酶活性与玉米产量的时间变化。（F）土壤生物和非生物因子对磷素有效性和玉米产量的影响机制。土壤性质（pH、SOC、AN和AK），而产碱性磷酸酶细菌群落包括多样性（Shannon指数和Chao1丰富度）和网络稳定性（鲁棒性、脆弱性和负正内聚力比）。蓝线和红线分别表示正和负影响。箭头的宽度表示显著标准化路径系数的强度。系数不显著的路径用灰线表示。NPE，负正边数比；NPC，负正内聚力比；avgK：平均程度；avgCC，平均聚类系数；TP：土壤全磷；AP，土壤有效磷；SOC，土壤有机碳；TN：土壤全氮；AN，土壤有效氮；TK，土壤全钾；AK，土壤速效钾；Bn：生态位宽度指数；On，生态位重叠指数。CK，不施肥；N，化肥处理；NS，化肥加秸秆施用；NSM，化肥加秸秆和猪粪；NB，化肥加秸秆生物炭。* p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001。

产碱性磷酸酶细菌群落组成的时间动态变化

ALP细菌操作分类单元（OTUs）主要隶属于Alphaproteobacteria （34.5%）、Betaproteobacteria （31.0%）和Actinobacteria （25.2%）（图 S4）等门。这些类群的相对丰度较高，很可能是由于秸秆改良对有机质的动态加工和稳定所致。例如，已研究表明，玉米秸秆分解时会释放出烷基碳、芳香 C 和芳香 C-O，而Alphaproteobacteria中的一些类群可有效利用这些有机分子。在ALP细菌群落中，属水平主要是由Bradyrhizobium（27.7%）、Collimonas（23.3%）和Amycolatopsis（10.3%）（图 S4）等组成。

主坐标分析显示，不同处理和时间点的产碱性磷酸酶细菌群落结构差异显著（p < 0.01）（图S5）。秸秆分解会释放出难降解的有机酸化合物，如阿魏酸、香豆酸和茴香酸，从而促进某些低营养类群（如Agromonas oligotrophica）的生长。c-means模糊聚类分析显示，与CK（475 个）和N（204个）处理相比，施NS（678 个）、NSM（711 个）和NB（707 个）处理的 OTU 数量变化显著（p < 0.05）（图 S5）。猪粪、秸秆和秸秆生物炭的有机碳质量不同，对土壤微生物活动产生的影响也不同，因此在NS、NSM和NB处理下，产碱性磷酸酶的细菌群落的反应呈现出不一致的趋势。

产碱性磷酸酶细菌网络结构和稳定性的时间动态变化

结果表明，秸秆施用显著影响了ALP细菌共生网络结构，主要体现在NS、NSM和NB处理的总节点数、正边数和负边数随着时间的推移上升且均高于CK和N处理（图 1A、S6 和表 S2）。此外，我们还通过网络稳健性（自然连通性）、脆弱性和负内聚力/正内聚力比（NPC）分析来估计ALP细菌群落的网络稳定性。具体而言，与CK和N处理相比，在NS和NSM处理下，4−5年和6−7年网络的自然连通性显著增加（p < 0.05），而脆弱性则呈相反趋势（图 1A−C，S6）。秸秆施用可能通过提高ALP细菌多样性从而提升群落的稳定性。物种丰富的微生物群落可能会表现出更强的功能冗余性，最终提高土壤生态系统在面对环境干扰时的整体稳定性。

与N处理相比， NS、NSM和NB处理下的NPC显著（p < 0.05）增加（图1C），表明秸秆施用，负内聚力（而非正内聚物）主导了网络稳定性。进一步利用¹⁸O-H₂O DNA稳定同位素探测（DNA- SIP）微宇宙实验对第0、1、6和7年的样品进行验证，并构建0−1年和6−7年的网络，其中田间试验构建的网络中60.8% ~ 69.3%和58.7% ~ 73.1%的节点在DNA-SIP试验中被验证，证实了秸秆施用后ALP细菌多样性、NPC和自然连通性的增加（图S7）。此外，在秸秆施用下，高比例的负内聚力表明细菌之间可能存在资源竞争或生态位分化。负内聚力有可能通过平衡相关个体的适合度和丰度来稳定群落，从而消除正反馈循环中对互动伙伴的依赖。相关分析表明，土壤SOC、TP、AP、AK、ALP细菌的Shannon指数和Chao1丰富度以及On与网络的总边（r = 0. 388−0.933）、平均路径长度（r = -0.889−0.671）、密度（r = -0.456−0.873）、avgK（r = -0.693−0.896）和模块化（r = -0.718−0.853）拓扑参数显著相关（p < 0.05）（图 1D）。由于更大程度的生态位重叠会加强种间相互作用的强度，秸秆施用通过加强类群间的潜在竞争和生态位重叠提高了产碱性磷酸酶细菌群落的多样性。因此，NS、NSM和NB处理下，ALP细菌多样性与网络稳健性和NPC比例呈正相关（p < 0.05），与易损性呈负相关（p < 0.05）（图1D）。

产碱性磷酸酶的细菌多样性和网络稳定性与土壤磷动态和玉米产量的关系

与对照组CK相比，NS和NSM处理第四年后土壤酸性磷酸酶（ACP）和土ALP活性显著增加（p < 0.05），磷活化系数（PAC）也有相同变化趋势（图 1E，S8）。NSM、NB和NS的玉米产量第四年后显著高于CK和N处理（图 S8）（p < 0.05）。通过随机森林模型可以确定ALP细菌群落多样性（香农指数和 Chao1 丰富度）和网络稳定性（稳健性、脆弱性和 NPC 比率）显著（p < 0.05）影响了土壤PAC（5.8%− 14.0%）和玉米产量（8.5%−14.5%）（图 S9）。由于代谢的多功能性和冗余性，高群落多样性与更高的养分循环效率和植物产量相一致。结构方程模型（SEM）显示，在CK和N处理下，土壤性质与ALP细菌多样性呈显著负相关（p < 0.05）（图1F，S10）。在N处理下，ALP细菌多样性和网络稳定性与玉米产量无显著相关性。土壤性质与ALP细菌多样性和网络稳定性之间显著正相关（p < 0.05）。值得注意的是， NS、NSM和NB处理下，ALP细菌多样性与网络稳定性呈正相关（r = 0.296−0.850，p < 0.05）（图 1F，S10）。生物多样性与生态系统功能之间关系的方向和强度取决于群落稳定性。稳定的群落在受到干扰时，其组成或功能的变化较小，从而能在波动的环境中实现有效的资源交换和功能互补。DNA-SIP微宇宙实验进一步证实了这些结果（图S11）。此外，3种秸秆施用处理对ALP活性和PAC的影响表明，ALP细菌多样性和网络稳定性与玉米产量呈正相关。虽然已有大量研究聚焦于秸秆添加物对土壤养分循环的影响，但本研究通过长期实验结合¹⁸O-DNA-SIP微宇宙试验，定量评估秸秆施用下网络稳定性在调节ALP细菌多样性与土壤生态系统功能之间相关联方面的潜力。

结  论

我们发现，在高度受干扰的农业生态系统中，管理实践应优先考虑土壤生物多样性的价值，特别是土壤微生物网络的稳定性，以促进和维持养分动态和玉米产量。秸秆添加物提高了产碱性磷酸酶细菌的动态多样性和网络稳定性。细菌多样性和网络稳定性的结合促进了土壤碱性磷酸单酯酶活性的代谢提升，这是微生物群落相互作用模式的基础，从而提高了玉米产量。综上所述，我们的研究结果为研究秸秆改良下网络稳定性的年际演替如何介导与玉米产量相关的细菌多样性和磷动态提供了新的见解。进一步的研究应该更多地关注微生物群落多样性和稳定性在大时空尺度和不同土壤类型中对土壤健康和作物产量的影响。

方  法

样本采集的详细程序、测序方案、测序数据处理技术、生物信息学和统计分析方法可参见补充信息。

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“iMeta” 是由威立、宏科学和本领域数千名华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述，重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等前沿交叉学科。目标是发表前10%(IF > 20)的高影响力论文。期刊特色包括中英双语图文、双语视频、可重复分析、图片打磨、60万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊！相继被Google Scholar、PubMed、SCIE、ESI、DOAJ、Scopus等数据库收录！2024年6月获得首个影响因子23.8，位列全球SCI期刊前千分之五(107/21848)，微生物学科2/161，仅低于Nature Reviews，学科研究类期刊全球第一，中国大陆11/514！

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