长期水稻种植驱动西班牙西南部湿地土壤细菌组的演替与功能重塑

《Microbial Ecology》：Soil Bacteriome Shifts along a Cultivation Gradient in Southwestern Spanish Wetlands

本研究针对长期农业活动对湿地土壤微生物的影响，通过比较西班牙瓜达尔基维尔沼泽自然湿地与不同种植年限（25年与80年）稻田的土壤细菌组，揭示了水稻种植导致细菌群落结构发生渐进式重构，Chloroflexota（尤其是Anaerolineae）显著富集，而Actinomycetota和Planctomycetota减少；功能预测表明栽培土壤反硝化潜力增强，这些变化与pH、电导率、碳酸钙和硝酸盐水平密切相关。该研究为湿地生态系统的可持续管理提供了重要的细菌指标和基线数据。

　　

在西班牙西南部的瓜达尔基维尔沼泽，一片独特的生态区域同时容纳了欧洲极具生态价值的Do?ana国家公园和伊比利亚半岛最重要的农业区之一。自20世纪40年代以来，农业扩张——主要是水稻种植——已将部分天然沼泽改造成人为湿地。如今，该地区约有4万公顷土地用于水稻种植，占西班牙全国水稻产量的近40%，以及欧盟总产量的约10%。然而，长达数十年的集约化水稻生产可能驱动了显著的生态转变，包括原生土壤细菌群落组成和功能的改变。土壤微生物在生态系统功能和生物地球化学循环中扮演着基础角色。集约农业实践和长期使用无机肥料已被证明会破坏土壤微生物群落，导致物种丰富度和多样性的减少。此外，持续使用农用化学品可能损害有益的植物-微生物互作。尽管先前在瓜达尔基维尔沼泽下游地区的水稻田中对土壤和根际细菌组进行了一些研究，但关于这些人为湿地中土壤细菌群落的多样性和结构，尤其是与其天然、未受干扰的对应湿地相比，知识仍然有限。

为了填补这一空白，研究人员在《Microbial Ecology》上发表了一项研究，旨在评估人为活动对瓜达尔基维尔沼泽土壤的影响，通过比较来自Do?ana国家公园的未受干扰土壤与在不同历史阶段建立的稻田（分别有25年种植史的Cantarita和80年种植史的Minima 2）的原核细菌组。研究采用分子与理化分析相结合的方法，包括通过PacBio CCS扩增子数据进行16S rRNA基因测序和标准化土壤测定，旨在：（i）识别与种植相关的分类学变化；（ii）阐明细菌组组成与土壤特性在集约化水稻种植下重塑湿地生态系统中的相互作用；（iii）为未来的土壤健康监测提出潜在的细菌指标。

研究团队在2024年4月中旬水稻生长季节开始前，从三个研究地点（Do?ana国家公园、Minima 2和Cantarita）各收集了5份土壤样本。每份样本由从5个独立表层土壤足迹中提取的材料混合而成，针对生物活性层（顶部5-10厘米）。样本在运输至实验室后立即在4°C下保存，并细分用于后续分析。DNA提取使用DNeasy PowerSoil Pro Kit，并通过PacBio Sequel II系统对全长16S rRNA基因进行扩增和测序。土壤理化分析包括测量pH、电导率、总氮、有效磷、铵态氮和硝态氮等。生物信息学分析使用QIIME2和microeco R包等进行，包括差异丰度分析、α多样性计算、CCA分析、共现网络分析以及使用PICRUSt2进行功能预测。

土壤细菌群落组成沿种植梯度发生显著变化

研究共获得699,725条原始DNA序列。分类学分配显示，三个研究地点的土壤细菌群落主要由Chloroflexota、Pseudomonadota和Actinomycetota门成员主导。研究人员观察到一个从Do?ana自然湿地土壤到最古老种植地Minima 2的清晰群落结构梯度，Cantarita代表了一个中间阶段。Chloroflexota的相对丰度沿此梯度显著增加，而Actinomycetota则逐步下降。Planctomycetota和Acidobacteriota也呈现中度减少。在科水平上，观察到优势类群相对丰度的明显差异，例如Anaerolineaceae和Nocardioidaceae在栽培土壤中更为丰富，而Rubrobacteraceae和Euzebyaceae在自然土壤中更占优势。差异丰度分析证实了这些变化。

共现网络揭示群落结构差异

在ASV水平进行的共现网络分析显示，Minima 2和Cantarita紧密聚类，共享16%的ASV，并与Do?ana明显分离。Do?ana和Cantarita共享的独家ASV多于Do?ana和Minima 2。仅有4.4%的ASV在所有三个地点共享，构成了一个可能由韧性类群组成的核心细菌组。α多样性指数显示，除Pielou均匀度在Do?ana显著较低外，其他指数无显著差异。

土壤理化性质与细菌群落密切相关

理化分析揭示了研究地点在pH、电导率、CaCO₃含量、总碳和硝酸盐浓度方面的显著差异。Do?ana的土壤pH值显著高于栽培土壤，并与电导率、总碳、碳酸盐含量和硝酸盐水平呈负相关。电导率在栽培地点升高，并与硝酸盐和碳酸盐浓度呈正相关。

CCA分析进一步区分自然与栽培土壤

将属水平分类数据与土壤参数结合的CCA分析显示了自然地点与栽培区域样本之间的清晰分离。Do?ana样本表现出更大的异质性，而栽培地点聚类更紧密。与Do?ana富集相关的类群包括WD2101土壤群、Euzebya、Rubrobacter等。栽培土壤中与SBR1031、Nocardioides和Intrasporangium等类群关联较强。环境变量中，电导率、硝酸盐浓度、CaCO₃含量和总碳对栽培地点的分离贡献最大。

预测功能谱显示氮代谢途径差异

预测的代謝谱揭示了栽培区域与Do?ana自然湿地之间清晰的功能分化。氮代谢途径，包括异化硝酸盐还原、反硝化、硝化和厌氧氨氧化，在栽培和未受干扰土壤之间存在显著差异。参与异化硝酸盐还原、反硝化和硝化的硝酸还原酶/亚硝酸盐氧化还原酶的α和β亚基在栽培土壤中显著更丰富。与同化硝酸盐还原相关的铁氧还蛋白-亚硝酸还原酶在Do?ana土壤中预测水平更高。碳和硫代谢相关的KO术语也观察到显著差异，但程度较轻。

讨论与结论

研究表明，瓜达尔基维尔沼泽湿地土壤的长期水稻种植诱导了土壤细菌群落的显著变化。分类学和功能分析一致地将栽培地点与原始自然湿地区分开来，群落变化与种植持续时间相关。这些变化体现在多个分类水平，并与特定的环境参数紧密相连。Chloroflexota门，尤其是Anaerolineae纲的富集，与栽培历史延长相关，并且与电导率、有机质、总氮、硝酸盐和碳酸钙呈正相关，与pH呈负相关。Anaerolineae成员以其代谢多功能性著称，表明它们不仅是稻田土壤的指标，也是这些生态系统中碳和氮生物地球化学过程的关键贡献者。Actinomycetota门在稻田土壤中显著下降，但Nocardioides属在栽培土壤中相对丰富，提示其可能在生物修复中发挥作用。自然土壤中富集的Rubrobacter和Euzebya可能适应了Do?ana较高的pH和更易变的盐度及温度条件。Planctomycetota在自然沼泽中相对丰度较高，其减少可能反映了其对改变的红氧条件和养分有效性的敏感性。功能预测表明，栽培土壤中反硝化潜力增强，可能导致强效温室气体N₂O的排放增加，而自然土壤则倾向于替代的氮途径，可能限制N₂O排放。

总之，该研究提供了证据表明瓜达尔基维尔沼泽的长期水稻种植导致了土壤细菌群落的组成和功能重构。跨多个水平的分类学模式表明群落向适应厌氧条件、高养分可用性和改变氮循环的类群转变。大多数群落变化在种植的最初25年内就已显现，突出了土壤细菌组对农业集约化的快速生态响应。这项研究为利用细菌组方法评估类似湿地系统中的农业影响和生态健康提供了重要的基线数据，强调了将细菌评估纳入可持续湿地管理战略的价值。