土壤微生物群落中关键原生生物抑制触发中位捕食者释放与生物同质化

《The ISME Journal》：Keystone protist suppression triggers mesopredator release and biotic homogenization in complex soil microbial communities

本研究针对微生物生态学中关键物种概念缺乏实验验证的难题，开发了微流控土壤芯片系统，通过紫外诱导光毒性选择性抑制低丰度的鬃毛虫类原生生物，结合显微镜与高通量测序技术，揭示了其抑制引发中位捕食者释放（鞭毛虫增殖）和生物同质化现象，并显著降低真菌多样性，为土壤微生物棕色食物网中捕食者作为关键物种的作用提供了直接实验证据。

　　

五十多年前，Robert Paine提出关键物种概念，揭示某些低丰度物种对群落结构具有不成比例的影响。这一概念在动植物生态学中已被广泛验证，但在微生物生态学领域，由于技术限制，关键物种的实验验证一直面临挑战。传统研究多通过相关性网络分析推测微生物关键物种，但缺乏直接的实验证据。土壤微生物群落构成的“棕色食物网”具有复杂的营养级联关系，其中原生生物作为顶级捕食者可能发挥着类似宏观生态系统中关键捕食者的作用。然而，由于难以在复杂微生物群落中实现特定物种的靶向去除，这一假说尚未得到充分验证。

针对这一科学难题，隆德大学Francois Maillard团队在《The ISME Journal》上发表研究，开发了一种创新的实验方法，在微流控土壤芯片系统中实现了对特定原生生物捕食者的选择性抑制，为微生物关键物种概念提供了直接实验证据。

研究人员采用微流控芯片技术，构建了模拟土壤孔隙空间的实验系统。芯片设计为长方体结构（14,720μm × 5,000μm × 12μm），包含约100μm直径的圆形支柱阵列，间距为175μm中心到中心。该系统以真菌坏死物质作为碳源和营养源，模拟森林表层土壤中有机质丰富的微环境。芯片与采集自瑞典隆德大学Stensoffa野外站的云杉林土壤直接接触，允许微生物自然迁移和定殖。

研究的关键技术创新在于建立了紫外诱导光毒性抑制方法，针对性地抑制芯片中定殖的最大原生生物——鬃毛虫亚纲（Hypotrichia）纤毛虫。通过400倍放大下的紫外激发光束（395nm）照射个体细胞5秒，诱导光氧化死亡，实现每日定向抑制，同时最大程度减少对周围群落的干扰。

实验持续20天，通过显微镜观察和环境DNA（eDNA）高通量测序相结合的方法，全面评估了鬃毛虫抑制对微生物群落的影响。

鬃毛虫抑制效果评估

显微镜观察显示，鬃毛虫个体在接种后第4天开始定殖芯片。在对照组中，其数量随时间显著增加，至第19天达到峰值。抑制处理使鬃毛虫丰度显著降低，平均抑制效率达63%。18S rRNA基因扩增子测序进一步证实，抑制组中鬃毛虫相对丰度从21.1%降至12.7%，尽管这一差异未达到统计学显著性。

细菌群落响应

与预期相反，鬃毛虫抑制并未导致细菌丰度显著增加。通过深度学习辅助的显微镜图像分析、人工视觉评分和qPCR检测均表明，细菌丰度、OTU（可操作分类单元）丰富度、Simpson多样性和群落组成在抑制组和对照组间无显著差异。细菌群落以γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）为主，其次是α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、放线菌纲（Actinobacteria）和拟杆菌纲（Bacteroidia），在类群水平上未见明显处理间差异。

真菌群落响应

真菌群落对鬃毛虫抑制表现出更明显的响应。显微镜计数显示抑制组真菌丰度有降低趋势（P=0.07）。扩增子测序分析表明，抑制组真菌OTU丰富度边际显著降低（P=0.07），Simpson多样性显著降低（P=0.04）。真菌群落包含子囊菌门（Ascomycota，如Eurotiomycetes和Leotiomycetes）、担子菌门（Basidiomycota，如Tremellomycetes酵母）和早期分化谱系（如Mortierellomycetes和Rozellomycota）。

原生生物群落重组

鬃毛虫抑制对原生生物群落产生了显著影响。虽然OTU丰富度无显著变化，但抑制组Simpson多样性（P=0.007）和均匀度（P=0.045）显著升高。PERMANOVA分析表明抑制处理显著改变了原生生物OTU组成（P=0.04）。非度量多维标度（NMDS）分析显示对照组原生生物群落变异性较大，而抑制组群落更加同质化，表现出生物同质化现象。

中位捕食者释放现象

显微镜和测序数据均显示，鬃毛虫抑制后鞭毛虫相对丰度显著增加，而变形虫丰度未受显著影响。非鬃毛虫纤毛虫在显微镜分析中显著减少。相关性分析进一步证实，鬃毛虫丰度与鞭毛虫丰度呈显著负相关，支持中位捕食者释放假说。

本研究通过创新性的实验设计，为微生物关键物种概念提供了坚实证据。研究发现，低丰度的鬃毛虫纤毛虫作为关键捕食者，其抑制触发了两个显著的生态响应：鞭毛虫的增殖（中位捕食者释放）和原生生物群落的生物同质化。细菌群落的稳定性可能源于鞭毛虫的补偿性捕食作用，而真菌多样性的降低则可能与某些鞭毛虫类群（如尾滴虫属Cercomonas）作为兼性真菌捕食者有关。

这项研究的技术意义在于建立了在复杂微生物群落中靶向抑制特定原生生物的方法，为未来识别和验证微生物关键物种提供了平台。生态学意义则在于证实了微生物捕食者（而不仅仅是分解者）可以作为土壤群落中的关键物种，调节群落结构和多样性。研究结果强调了在微生物棕色食物网中考虑多营养级相互作用的重要性，为理解土壤生态系统功能提供了新视角。

研究的局限性包括较高的处理内变异性、线虫序列对原生生物测序数据的干扰以及终点设计对动态过程捕捉的不足。未来研究可通过改进芯片设计、结合时间序列采样和人工智能辅助识别与抑制技术，进一步深化对微生物关键物种作用机制的理解。