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为探究土壤微生物群落对小麦秸秆添加的响应，研究人员运用宏基因组学技术开展相关研究。结果显示，不同土地利用历史下微生物群落响应不同，且宏基因组学在分析微生物种群动态上更具优势。该研究为理解土壤微生物生态提供新视角。
土壤，这个看似普通的物质，实则蕴含着一个极其复杂且神秘的微观世界。在土壤中，微生物群落犹如一个庞大而有序的 “小社会”，它们参与着各种重要的生态过程，对土壤的可持续性和生产力起着关键作用。就如同隐藏在幕后的 “无名英雄”，默默影响着整个生态系统的平衡。
过去，科学家们虽然已经意识到土壤微生物群落的重要性，但在研究过程中却面临着诸多难题。传统的研究方法往往只能聚焦于特定的微生物类群，如细菌和真菌，而忽略了其他同样重要的微生物，像原生生物和病毒。这就好比只看到了冰山一角，无法全面了解土壤微生物群落的真实面貌。而且，技术上的限制也使得获取整个土壤微生物群落的多样性信息变得困难重重。现有的主要研究方法 —— 靶向宏基因组学（如高通量扩增子测序），虽然在一定程度上提供了微生物群落的生态信息，但它只能针对特定的基因和包含这些基因的分类群进行研究，无法涵盖土壤中所有生命领域的微生物。
为了揭开土壤微生物群落的神秘面纱，来自法国多个研究机构（Agroécologie, INRAE, Université de Bourgogne 等）的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一项全面的原位田间研究，旨在评估不同土地利用历史（20 年农田与 17 年草地）对土壤微生物群落在添加小麦秸秆后的演替影响。
研究人员采用了宏基因组学技术，对土壤中的所有微生物（古菌、细菌、真核生物和病毒）进行了全面的分析，并将结果与之前使用高通量扩增子测序对相同土壤样本的研究结果进行对比。这项研究成果发表在《Scientific Reports》上，为我们深入了解土壤微生物群落的奥秘打开了新的大门。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是土壤采样，在法国的 Lusignan 长期观测站，选取了具有不同土地利用历史的相邻地块进行采样，设置对照和添加小麦秸秆的处理组，在不同时间点采集土壤样本。其次是 DNA 提取与测序，宏基因组学 DNA 提取采用标准化程序，结合机械、热和化学裂解步骤，提高对低估微生物群体 DNA 的获取；测序则使用 Illumina NovaSeq 2×150 bp 技术。同时，还重新利用了之前研究的扩增子测序数据集。最后通过多种生物信息学和统计分析方法，如使用 Kaiju 进行分类学注释、不同的归一化方法处理数据、进行主坐标分析（PCoA）和 PERMANOVA 分析等，来揭示微生物群落的结构和动态变化。
扩增子测序和宏基因组学描绘了相似的细菌和真菌群落结构
研究人员发现，无论土地利用历史如何，扩增子测序和宏基因组学在对照和添加处理中，所呈现的细菌和真菌群落结构模式相似。这两种方法在重现性方面也表现相似，说明宏基因组学适用于原位评估土壤微生物群落的动态变化。而且，宏基因组学比扩增子测序更敏感，能够检测到更多低丰度的细菌门类。不过，对于古菌群落，两种测序方法的结果存在差异，宏基因组学在解析古菌群落差异方面更具优势。
宏基因组学揭示了整个土壤微生物群对小麦输入的时间响应
宏基因组学让研究人员得以研究包括病毒在内的整个土壤微生物群落。土地利用历史不仅影响了所有微生物类群的结构，还影响了整个土壤微生物群落的复杂性。添加小麦秸秆显著影响了病毒和原生生物的群落结构，同时增加了土壤微生物群落的复杂性。在秸秆添加后的第 3 天，细菌、真菌、病毒和原生生物的群落结构都发生了快速而显著的变化。后期，细菌种群在秸秆分解后期表现出一定的恢复能力，而真菌群落则呈现出不同的变化轨迹，这可能与它们对不同碳底物的分解能力有关。
微生物异养演替揭示了根据土地利用历史的共同和特定模式
通过对差异丰度属（Differentially Abundant Genera，DAGs）的分析，研究人员发现，在秸秆添加后的早期，不同土地利用历史的土壤中存在许多共同的响应属；但在早期响应中，也存在因土地利用历史不同而特异的属。在整个过程中，未添加处理的土壤微生物群落根据土地利用历史明显分离，而添加处理在后期（51 天和 125 天）的样本也根据土地利用历史分别聚类。不同微生物类群对秸秆添加的响应各不相同，古菌对添加反应不强烈，细菌和真菌表现出多种响应模式，原生生物中部分类群在早期有反应，大多数对添加有反应的病毒属属于 Caudoviricetes 噬菌体。
生物相互作用的推测
研究人员通过对所有微生物实体的同时研究，推测出不同分类群之间可能存在的相互作用。例如，细菌中的兼性捕食者属 Lysobacter 可能会影响 Oomycetes 属的数量；Acanthamoeba 通过捕食增加营养摄取并逐渐繁殖；一些噬菌体与宿主之间存在潜在的感染关系，如 Amigovirus 与 Arthrobacter，Pandoravirus 与 Acanthamoeba；Syncephalis 可能会影响其宿主 Mucor 或 Mortierella 的序列数量。
这项研究意义重大。它证明了宏基因组学在研究土壤微生物群落动态方面的有效性和优势，为深入理解土壤微生物生态学提供了有力的工具。研究揭示了不同土地利用历史下土壤微生物群落对小麦秸秆添加的差异响应，以及微生物之间复杂的营养相互作用。这些发现有助于我们更好地理解土壤生态系统的功能，为合理管理土壤微生物多样性、优化农业实践和促进土壤可持续性发展提供了重要的理论依据。同时，研究也为后续进一步研究土壤微生物群落的功能潜力、碳循环途径以及微生物与环境之间的相互作用奠定了坚实的基础。
