编辑推荐：
为探究微生物群落多稳态，研究人员分析土壤微生物组，发现其可分多种稳定状态，影响生态系统功能。
在自然界的生态舞台上，微生物虽渺小却有着巨大的影响力。长期以来，理论生态学家认为生物群落的组成存在多种稳定状态，就像森林和草原有着截然不同的植被类型，这种现象在宏观生物群落研究中已得到不少验证。然而，当把目光转向种类繁多、结构复杂的微生物世界时，情况变得棘手起来。我们对由各种微生物组成的群落结构、稳定性和功能之间的关系知之甚少，在这个微观的生态系统里，还藏着许多等待解开的谜团。为了探索这些奥秘，来自京都大学、日本国立农业和食品研究组织、理化学研究所、横滨国立大学的研究人员（Hiroaki Fujita、Shigenobu Yoshida、Kenta Suzuki 和 Hirokazu Toju）展开了深入研究，相关成果发表在《Environmental Microbiome》杂志上。
这项研究中，研究人员用到了几个关键技术方法。一是数据集编译，他们收集了来自日本群岛 19 种农作物的 1500 多个农田土壤样本数据，涉及原核生物 16S rRNA 区域和真菌内转录间隔区 1（ITS1）区域的扩增子测序分析，还包含土壤的多种理化性质及作物疾病信息。二是主坐标分析（PCoA），基于 Bray-Curtis β- 多样性对原核生物和真菌群落结构数据进行分析，以探究群落结构沿环境梯度的变化。三是能量景观分析，借助统计物理学框架，通过一系列复杂的计算和模型构建，推断土壤微生物群落结构的稳定性景观，确定替代稳定状态和临界点。
研究结果主要体现在以下几个方面：
- 群落结构沿环境梯度的变化：通过 PCoA 分析发现，原核生物和真菌群落结构沿土壤环境梯度（如 pH、电导率、碳氮比、有效磷浓度）存在多个聚类。比如在 pH = 6.0 时，原核生物群落数据点在 PCoA1 轴上有两个高密度区域；真菌群落 PCoA1 得分在 pH = 6.7 附近呈双峰模式。这表明土壤微生物群落结构并非均匀分布，而是受环境因素影响，形成了不同的聚集状态。
- 能量景观结构：能量景观分析显示，原核生物和真菌群落的能量景观都存在多个主要盆地（basins），这些盆地代表不同的替代稳定状态。而且，不同盆地与作物疾病患病率的关联差异很大。以原核生物为例，在代表替代稳定状态 0IK1G2 的盆地中，59.6% 的土壤样本与最低植物疾病水平相关；而在另一个盆地 LQWZ02 中，这一比例仅为 10.7%。真菌群落也有类似情况，如盆地 7QH9moTf8Xa 中有 57.9% 的样本与最低植物疾病水平相关，而盆地 68C0849W020 中则没有样本与之相关。
- 与作物疾病水平的关联：研究人员进一步确定了区分不同稳定状态（及其代表盆地）的关键微生物分类群。在原核生物群落中，有 19 个科起到关键作用，像 Pyrinomonadaceae 和 Vicinamibacteraceae 的存在，与具有最低植物疾病水平样本比例最高的替代稳定状态密切相关。在真菌群落中，Basidiobolaceae、Cordycipitaceae 和 Gelatinodiscaceae 等科的存在，定义了与最低植物疾病患病率密切相关的替代稳定状态 7QH9moTf8Xa。
- 不连通性图（Disconnectivity graphs）：对重建的能量景观进行不连通性图分析发现，原核生物中与患病最少（OIK1G2）和患病最多（N21H04）作物状态相关的盆地在推断的盆地中最深，意味着它们对扰动的抵抗力较强；真菌群落中，与患病最少状态（7QH9moTf8Xa）相关的盆地最深，而代表患病最多状态（68C0849W020）的盆地最浅。
在研究结论和讨论部分，研究人员利用能量景观分析这一统计框架，成功估计了复杂土壤微生物群落的稳定性景观结构。研究发现，尽管微生物群落可能的组成数量众多（2S种社区状态，S 为考虑的物种或分类群数量），但原核生物和真菌群落状态在能量景观中被分组为少数几个盆地，这说明土壤微生物群落结构在一定程度上具有稳定性，不会轻易发生大的变化，除非受到超过一定阈值强度的扰动。同时，不同的替代稳定状态在与作物疾病患病率的关联上差异显著，这表明存在对农业生产有利和不利的微生物群落稳定状态。此外，研究还突出了一些对区分土壤微生物群落患病最少和患病严重状态至关重要的原核生物和真菌分类群，这些分类群中的一些物种可能具有潜在的应用价值，比如 Basidiobolaceae 和 Cordycipitaceae 中的许多物种可作为抑制害虫的生物防治剂，Gelatinodiscaceae 可能作为植物的共生体。
不过，这项研究也存在一些局限性。例如，在将现有理论扩展到高维群落数据研究时，需要更明确和广泛适用的标准；目前的分析限于家族水平的输入数据，未来需要改进代码以在属、种或菌株水平进行分析；由于缺乏群落结构的时间变化信息，无法讨论替代稳定状态之间群落结构转变的频率和速度，这需要进一步的微生物群落监测来填补。但总体而言，这项研究为生态群落的多稳定性研究搭建了一座桥梁，连接了经典生态理论和实证微生物组研究，为生态系统恢复和可持续农业生态系统管理提供了重要的理论依据和实践指导，开启了微生物群落研究的新篇章，让我们朝着更好地理解和利用微生物生态系统的方向迈出了重要一步。
