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DOI:10.1007/s11104-023-06396-7該文章對來自三個主要耕地（旱地、稻田和稻旱輪作）土壤的已發表測序數據（共64篇的3109個土壤樣品數據）進行了綜合分析，以此了解農業生態系統土壤微生物群落和功能模式。旱地、稻田和稻旱輪作農田系統土壤中細菌群落分類群的特征和預測功能。土壤細菌在農田生態功能中發揮著關鍵作用。我們推測，盡管全球氣候和土壤條件存在巨大差異，但主要農作物土壤特性的優化導致了三種農田土壤共有的特定微生物群落。組裝過程的類型決定了微生物群落的組成和功能。確定性和隨機過程同時促進微生物組裝。水稻土的特點是厭氧環境、強烈的氧化還原變化過程以及較高的土壤有機碳（SOC）和總氮（TN）含量，所有這些都意味著微生物群落的強烈環境選擇。因此，我們的第一個假設是，確定性過程對稻田土壤中微生物組裝的貢獻大于農田土壤中的微生物組裝。休眠和復蘇能力增加了微生物對環境波動（例如干濕循環）的抵抗力。在合適的條件下，具有高核糖體操縱子拷貝數的微生物（即富營養型，r策略）可以快速響應資源可用性的脈沖并恢復其活性。水旱輪作土壤經歷頻繁的干濕循環，導致環境波動劇烈。因此，我們的第二個假設是，適應水旱輪作的微生物具有很強的休眠和復蘇能力，可以在頻繁的干濕循環下維持群落穩定性。功能冗余可能在干擾期間維持生態系統穩定性方面發揮至關重要的作用。功能冗余使得功能特性比微生物分類組成在應對環境變化時更加穩定。1. 合并原始序列數據并將 16S rRNA 片段映射到全長序列。圖1 農田的位置和類型。各站點年平均氣溫（MAT）和降水量（MAP）以及土壤pH和SOC的分布。旱地以紅色顯示；稻田用藍色表示；稻田輪作以綠色顯示。2. 細菌多樣性和聚類分析 3. 休眠潛力、異養策略和功能預測分析 通過將每個分類單元的相對豐度乘以其拷貝數求和來計算加權平均核糖體操縱子拷貝數，該拷貝數由 PICRUSt2 確定，它代表微生物的異養策略及其響應速度資源。假定富營養生物比寡營養生物擁有更多的拷貝數。重點關注編碼孢子形成因子的基因和毒素-抗毒素系統，這些基因是使用 KEGG 獲得的。使用默認參數在 Galaxy/DengLab 中使用原核類群功能注釋 (FAPROTAX) 執行生態功能。 4. 隨機森林模型和指標分析 5. 中性模型推斷農田土壤細菌組裝過程 6. 環境和空間參數對土壤微生物群落組成和功能變化的貢獻 結果1 三種農田類型土壤的細菌多樣性、群落組成和功能特征圖2 不同農田類型的微生物群落概述。三種農田類型土壤中細菌群落的 zOTU 數量（a）和香農多樣性（b）旱地土壤的豐富度和香農多樣性最高。主坐標分析 (PCoA) 顯示微生物群落根據三種農田類型進行分離 (c）UPGMA 根據成對樣本之間的 Bray-Curtis 距離評估門水平細菌群落的相對豐度 (d)三種農田類型土壤中前九個門的相對豐度（e）圖S6 基于FAPROTAX的三種農田土壤差異細菌的功能特征。旱地土壤中的細菌群落相較于水稻田和水稻-旱地輪作土壤，具有與芳香化合物降解、幾丁質分解和尿素分解相關的更高功能潛力。水稻田土壤中的細菌群落具有比其他農田土壤更高的與養分循環相關的功能潛力。這些功能潛力與氮（N）和硫（S）代謝途徑有關，包括反硝化、硝酸鹽還原和呼吸、亞硝酸鹽反硝化和呼吸、固氮、氮呼吸、笑氣反硝化、S化合物呼吸和S呼吸等。Arthrobacter在旱地土壤中比在其他類型更為豐富；水稻土中Methylocystis 和Anaeromyxobacter富集；水旱輪作下的三個屬（即硫桿菌屬、屬于 Solibacteraceae 類的 GOUTB8 和 Sideroxydans）比其他農田土壤更為豐富。旱地土壤中的尿素分解和需氧氨氧化作用比其他農田土壤更強。水稻土中富集了與甲烷氧化、碳氫化合物降解、硫酸鹽呼吸、硫化合物呼吸和甲基營養相關的五種潛在功能。圖3 指示類群和預測功能取決于農田類型。根據indval評分結果，對旱地、水稻和水旱輪作農田系統的土壤進行屬水平的細菌分類和預測功能富集。通過應用微生物群相對豐度的隨機森林分類以及針對旱地、水稻和稻旱地的預測功能，確定了前 11 個細菌屬（左）和 12 個預測功能（右）。生物標記分類單元和預測函數按對模型準確性的重要性降序排列。相較于水稻田和水稻-旱地輪作土壤，旱地土壤中的細菌群落承載著約25-130%更高的孢子形成基因豐度，以及約41-51%更高的毒素-抗毒素生成基因豐度。旱地土壤細菌群落的rRNA操縱子計數水平最高，分別比水稻和稻旱輪作土壤中的細菌群落高20%和10%（表明對資源可用性的反應更快）。圖4 農田的休眠潛力和異養生長策略。PICRUSt2 估計的三個農田組土壤中休眠基因（孢子豐度和毒素-抗毒素豐度）和加權平均核糖體拷貝數的 log 10 豐度。中性模型用于評估擴散限制和生態漂移的貢獻。旱地隨機過程的貢獻更大（R2）。分布在預測之上的類群應該是受到環境的正向選擇或者具有較強的擴散能力。在旱地土壤中，變形菌門（32%）、放線菌門（23%）和酸桿菌門（18%）的分布高于預測值，并且在芳香族化合物降解、幾丁質分解和尿素分解方面具有較高的功能潛力。圖5 基于中性模型的微生物組裝估計。出現頻率高于模型預測的 zOTU 以橙色顯示，而出現頻率低于預測的 zOTU 以綠色顯示。藍色虛線代表模型預測周圍的 95% 置信區間，落在置信區間內的 zOTU 被視為中性分布。直方圖顯示了三種農田類型土壤細菌群落中三類 zOTU 的累積相對豐度。出現頻率高于模型預測的 zOTU 用于創建使用 FAPROTAX 分配的最終生態功能。線性回歸分析表明，細菌分類組成和功能潛力的差異隨著地理距離的增加而增加，表明距離衰減對細菌群落分類和功能組成的影響。圖6b中，稻田的斜率最低表明稻田中微生物群落具有更高程度的功能冗余。圖6 微生物組成和預測功能的距離衰減效應。（a）三個農田組土壤中地理距離與細菌群落（藍點）或預測功能（紅點）差異之間的關系。（b）細菌群落差異與預測功能差異之間的關系。實線表示擬合的線性回歸模型。分類學的斜率比預測功能的斜率陡得多，這反映了微生物群落的功能冗余。相關分析表明，氣候因素（MAT 和 MAP）和土壤特性（pH、SOC、TN、AP 和 C:N）強烈影響細菌群落多樣性和組成（圖S7）。變異分區分析（VPA）顯示，農田類型、土壤、空間和氣候因素分別占細菌分類組成和預測功能組成變異的36%和52%。土壤因素是細菌分類的主要貢獻者，而農田類型則負責預測的功能。圖7 基于方差分區分析與 PCNM 空間尺度分析相結合計算的環境和空間因素對旱地、水稻和旱地輪作農田系統土壤細菌群落分類（上）和預測功能（下）的貢獻。圖S7 微生物群落和功能的環境驅動因素。顯示了環境因素和多樣性之間的成對斯皮爾曼相關性。根際互作生物學研究室 簡介
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