生态位的系统发育保守性决定土壤古菌地理格局

https://doi.org/10.1111/geb.13313

西北农林科技大学韦革宏教授团队于2021年5月19在Global Ecology andBiogeography期刊发表题目为Linking phylogenetic nicheconservatism to soil archaeal biogeography, community assemblyand species coexistence的论文。第一作者是焦硕博士。

摘要

揭示系统发育保守性与地理分布、群落构建和物种共存之间的联系对于理解微生物群落的生态过程至关重要，是微生物生态学中重要的研究领域。作者探究了中国西北部河西走廊地区五种不同生态系统中（农田、森林、湿地、草原和荒漠）土壤古菌生态位的系统发育保守性与其地理分布、群落组装和物种共存之间的联系。结果发现古菌类群对年平均降雨量具有最强的系统发育信号响应。通过零模型和中性模型分析群落构建过程，发现低降雨环境中群落组装过程主要由确定性过程驱动，共发生联系减弱；系统发育多样性与群落组装过程的平衡密切相关，低系统发育多样性时，随机过程占主导，而确定性过程呈相反趋势。这项研究表明生态位的系统发育保守性与古菌的地理分布、群落组装过程和物种共存的平衡存在紧密联系，为全球变化背景下预测古菌的进化适应性奠定基础。

1.引言

古菌在土壤微生物群落和生物量中占相当大的比例，在一系列生态过程中发挥重要作用，如全球碳素和养分循环。古菌的代谢方式多样化，具有不同的生活史策略，例如嗜盐菌、嗜酸菌和嗜热菌。另外，奇古菌门中的氨氧化古菌驱动全球氮循环的关键过程，导致硝酸盐的形成。探究古菌的地理分布模式，对理解古菌的生态学作用至关重要。考虑到地理空间上的群落组成变化可能包含系统发育模式的变化，并且微生物类群的生态偏好可能具有系统发育保守性（如生态位的保守性）。生态位的系统发育保守性是指近缘种之间的生态位相似性高于远缘种之间的生态位相似性。因此，微生物的系统发育特征为解释其生物地理分布、群落构建过程和物种共存提供了一条研究途径，然而，土壤古菌的系统发育和进化适应性与其地理分布之间的联系还知之甚少。本研究针对中国西北部河西走廊生态交错带分布的五种陆地生态系统（农田、森林、湿地、草地和荒漠，横断面间隔为1257.6 km），使用高通量测序对土壤古菌群落进行了分析，测定基本土壤理化因子，并根据采样点的地理坐标得到年降雨等气候变量。

2.结果

2.1土壤古菌的系统发育多样性

图1. 不同生态系统中土壤古菌系统多样性的变化

奇古菌门是农田和森林土壤中的优势门, 而广古菌门是草地、湿地和荒漠中优势门（图1A）。古菌的系统发育多样性在湿地中最高，而荒漠中最低（图1B）。非度量多维尺度分析表明：低年均降雨量组（年均降雨量<103mm）, 中年均降雨量（103mm ≤年均降雨量≤ 175mm）和高年均降雨量组（年均降雨量>175mm）在空间排序上存在显著差异（图1C）。年均降雨量从低到高，系统发育多样性和群落内β多样性均逐渐降低（图1D）。

2.2土壤古菌群落构建与共存的调控因素

图2. 土壤古菌群落构建过程的主要驱动因子

曼特尔结果显示：年均降雨量是古菌群落构建过程的主要驱动因子。随着年均降雨量的增加随机过程对古菌群落的相对影响逐渐增强，而确定性过程中的同质性选择表现为相反趋势。随机过程随系统发育多样性的增加而递减，而确定性过程表现为相反趋势（图2）。

图3. 年均降雨量从低到高土壤古菌群落构建过程和共发生网络拓扑特征的变化

考虑到年均降雨量是古菌群落构建过程的主要驱动因子，评估了低、中和高年均降雨量组古菌群落构建过程和共发生网络拓扑特征的变化。零模型和中性模型分析表明：随着年均降雨量从低到高的变化，随机过程逐渐增加（图3A和B）；共发生网络拓扑特征（如聚类系数，密度和模块性）也逐渐增加（图3C）。

2.3古菌类群生态位的系统发育保守性

图4. 古菌类群生态偏好的系统发育分布

系统发育谱系较近的古细菌分类群（属于相同的门或纲）展现出相似的生态偏好。例如，属于Halobacteria的类群偏好于低降雨量、温暖、高pH和寡营养的环境，而Methanobacteria则表现出相反的生态偏好。作者还证明了微生物的生态特征可以预测其系统发育水平，Blomberg’s K值显示古菌类群对MAP具有最强的系统发育信号响应（图4）。因此，作者推测生态位的系统发育保守性决定了土壤古菌的地理格局。

第一作者简介

第一作者：焦硕，西北农林科技大学青年教授，主要土壤微生物生态学研究。围绕“农田土壤微生物群落形成和稳定机制”的关键科学问题，开展了系统的工作。以第一或通讯作者在The ISME Journal、Microbiome、GlobalChange Biology、Global Ecology and Biogeography、MolecularEcology和Journal ofApplied Ecology等国际刊物上发表SCI论文22篇，其中发表在ISME和mSystems论文被选为封面文章。

作者主页：https://sm.nwafu.edu.cn/szdw/js2/429961.htm

Reference

Jiao S,et al (2021). Linking phylogenetic niche conservatism to soil archaealbiogeography, community assembly and species coexistence.

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/geb.13313

猜你喜欢

10000+：菌群分析 宝宝与猫狗 梅毒狂想曲 提DNA发Nature Cell专刊 肠道指挥大脑

系列教程：微生物组入门 Biostar 微生物组  宏基因组

专业技能：学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人

一文读懂：宏基因组 寄生虫益处 进化树

必备技能：提问 搜索  Endnote

文献阅读 热心肠 SemanticScholar Geenmedical

扩增子分析：图表解读 分析流程 统计绘图

16S功能预测   PICRUSt  FAPROTAX  Bugbase Tax4Fun

在线工具：16S预测培养基 生信绘图

科研经验：云笔记  云协作 公众号

编程模板: Shell  R Perl

生物科普:  肠道细菌 人体上的生命 生命大跃进  细胞暗战 人体奥秘

写在后面

为鼓励读者交流、快速解决科研困难，我们建立了“宏基因组”专业讨论群，目前己有国内外5000+ 一线科研人员加入。参与讨论，获得专业解答，欢迎分享此文至朋友圈，并扫码加主编好友带你入群，务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。PI请明示身份，另有海内外微生物相关PI群供大佬合作交流。技术问题寻求帮助，首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路，仍未解决群内讨论，问题不私聊，帮助同行。

学习16S扩增子、宏基因组科研思路和分析实战，关注“宏基因组”

点击阅读原文，跳转最新文章目录阅读