多生境景观促进微生物多样性：来自传统农业遗产的启示与全球趋势分析

本文深入探讨了多生境景观（Multi-Habitat Landscape）对微生物多样性的促进作用，以桑基鱼塘（MF）这一传统农业遗产系统为研究对象，结合扩增子测序、宏基因组学（Metagenomics）、宏转录组学（Metatranscriptomics）及比较基因组学方法，揭示了跨生境微生物扩散（Cross-Habitat Dispersal）在提升生态系统微生物分类与功能多样性中的关键作用。研究进一步通过全球尺度数据分析，证实生境异质性（Habitat Heterogeneity）与微生物多样性呈显著正相关，为可持续农业策略与生态系统韧性管理提供了重要科学依据。

　　

多生境景观促进微生物多样性：来自传统农业遗产与全球趋势的启示

摘要

生态系统是相互连接的生境类型网络，而非孤立的斑块。然而，多生境景观在影响微生物多样性方面的作用仍知之甚少。本研究调查了具有2500年历史的农业遗产系统——桑基鱼塘（Mulberry-dyke and Fish-pond, MF）中的细菌和真菌群落，该系统整合了多种陆生和水生栖息地。通过扩增子测序、宏基因组学、宏转录组学和基因组分析，这些发现揭示了大量未分类的微生物类群，强调了MF系统作为未开发的微生物遗传资源库的重要性。此外，单核苷酸水平分析表明，多生境景观通过生态系统范围内的组装过程增强微生物多样性，跨生境微生物扩散促进了这一过程。在多个生境中发现的类群表现出微多样性和适应性遗传特征的趋同，表明其适应性的生态和功能机制。对公共微生物组数据集的全球分析进一步证实，生境异质性较高的区域支持显著更高的微生物分类和功能多样性。总体而言，这项研究为传统农业遗产中被忽视的微生物多样性提供了新的见解，并强调了多生境整合所蕴含的祖先生态智慧对生态系统管理的价值。这些见解为制定可持续农业策略、增强微生物多样性和加强全球变化下的生态系统韧性提供了宝贵指导。

引言

生态系统功能和稳定性与宏观生物和微生物在多样生境中的生物多样性密切相关。近年来，Hackett等人强调，多生境景观表现出更大的多样性、稳定性和改进的功能，强调生态系统是相互连接的网络而非孤立斑块。虽然微生物在生态系统服务中扮演关键角色，但多生境景观对微生物多样性的影响仍知之甚少。微生物生态学的研究越来越挑战Baas-Becking假说——“万物皆存在，但环境选择”，该假说基于生态位组装理论（即生态位限制共存物种的最大数量）。证据表明，微生物群落可能不仅由当地环境条件塑造，还受到跨生境扩散过程的影响，某些微生物在不同生境类型中保持生存能力和功能性。这些跨生境微生物可能通过促进基因周转，在塑造当地群落多样性、功能甚至进化过程中发挥重要作用。例如，跨生境扩散可以通过增加物种丰富度来增强当地生物多样性；移民个体可能功能类似于本地物种（冗余）或占据空生态位（互补），从而增强功能并在环境扰动下稳定功能变异性。然而，微生物研究主要集中在单一生境，往往忽视多生境景观的更广泛影响。这一理解差距阻碍了我们在生态系统尺度预测和管理微生物组功能和韧性的能力。

传统农业系统（Traditional Agricultural Systems, TASs）为研究微生物群落的多生境景观提供了独特机会。几个世纪以来，这些系统采用生态策略，显著贡献于全球粮食生产和生物多样性保护。与现代农业系统通常简化和集约化不同，TASs通常整合多个生境以优化资源利用和促进物种共存。例如，稻鱼共养系统说明了生境互补如何支持遗传多样性和提高对环境胁迫的韧性。值得注意的是，放弃TASs可能使物种灭绝率提高两个数量级以上。特别是，传统农业遗产中的微生物多样性仍未充分探索。

作为全球重要农业遗产系统（Globally Important Agricultural Heritage System, GIAHS），桑基鱼塘（MF）是中国湖州的一个古老多生境农业系统，已有2500年历史。这一古老多生境系统整合了多样水生和陆生环境，以及宿主和非宿主生境。它生产多种产品，包括桑叶、水果、鱼、丝和营养丰富的蛹。主要位于中国太湖流域（尤其是湖州市）和珠江三角洲，MF系统对经济可持续性和生态健康至关重要，因为它们支持生物多样性、蚕丝业和水产养殖。在本研究中，我们分析了MF系统内六个主要生境中细菌和真菌群落的动态：水、沉积物、土壤、叶（桑叶叶圈）、蚕（无脊椎动物肠道）和鱼（脊椎动物肠道）。使用扩增子测序（n = 830）、宏基因组学（n = 108）、宏转录组学（n = 24）和比较基因组学（n = 1182），我们旨在：1) 调查MF系统中未探索的微生物多样性；2) 检查多生境景观如何影响微生物多样性；3) 识别介导微生物跨生境分布的适应机制；4) 使用公共数据集评估全球尺度模式。我们假设多生境景观可以通过扩散过程促进微生物多样性，即使在不同的生境类型之间。通过揭示多生境农业遗产系统如何维持微生物多样性，这项研究强调了祖先农业遗产和实践在微生物生态学和农业生态系统管理中的重要意义。

结果

新颖微生物多样性与生境间连通性 within MF Systems

扩增子测序和严格数据处理生成了46811个细菌扩增子序列变异（Amplicon Sequence Variants, ASVs）和9445个真菌ASVs。这些ASVs涵盖了743个细菌科（75门）和409个真菌科（16门）。值得注意的是，分类分配显示，平均1.19%（细菌）和8.64%（真菌）的ASVs在门水平无法分类。被分类为细菌/真菌但未在门水平分配的类群可能代表潜在的新门。我们发现，与正常桑田土壤相比，MF土壤表现出显著更多的门水平未分类ASVs（P < 0.001）。与报告的全球平均值（细菌0.12%，真菌3.98%）相比，这一发现一致（P < 0.001，单样本t检验）。一致地，来自MF土壤的宏基因组组装基因组（Metagenome-Assembled Genomes, MAGs）与全球土壤基因组目录相比表现出更大的新颖性（P < 0.001，Welch's t-test），表现为与GTDB参考基因组的最大平均核苷酸同一性值较低。

为了测试我们关于多生境景观作用的假设，我们比较了MF系统与缺乏鱼塘整合的正常桑田土壤（低生境多样性）的土壤微生物组。结果显示，MF土壤表现出比正常桑田土壤更高的微生物多样性，表明多生境景观在增强微生物多样性中的作用。为了调查潜在的生境间联系，我们使用两个指标检查了微生物科在多样生境中的分布和适应性：平均相对丰度和Levin's生态位广度指数（Niche Breadth Index）。生态位广度指数推断微生物可以繁盛的环境条件范围，基于类群在样本中的出现计算。大多数微生物科表现出清晰的生境偏好，在特定生境中具有较高的相对丰度。科如Comamonadaceae和Sphingomonadaceae在所有六个生境中表现出广泛的普遍性和适应性，如其生态位广度指数所示。

在ASV水平的Beta多样性分析显示，生境类型显著影响细菌和真菌群落（R2 = 0.32和0.18，分别；P < 0.001）。其次是MF身份，代表采样点（21个不同MF）（R2 = 0.06和0.07，分别；P < 0.001）。基于零模型的分析表明，选择和扩散相关过程在塑造跨生境微生物组中发挥作用。为了进一步评估生境间连通性，我们计算了跨生境共享的细菌和真菌ASVs数量。虽然每个生境包含独特的ASVs，但显著程度的细菌和真菌ASVs在生境之间共享，甚至在不直接由MF循环农业实践连接的生境之间。在五个生境的交集中，排除蚕肠道的细菌交集和排除鱼肠道的真菌交集表现出更多的共享ASVs。值得注意的是，总共257个（细菌）和384个（真菌）ASVs在所有生境中共享，突出了生境间连通性。

总的来说，这些结果揭示了MF系统中的微生物多样性，并强调了从传统农业遗产系统中发现先前未开发的微生物遗传资源的潜力。此外，在这一独特系统中观察到的模式支持多生境景观影响微生物多样性的假设。然后我们使用MF系统作为研究模型来说明微生物生境间连通性。

多生境景观促进MF系统内的微生物多样性

最近的生态研究表明，群落中的许多物种不是稳定共存，而是由于从其他生境扩散而暂时共现。这些 transient taxa 在维持群落多样性中发挥重要作用。例如，蚕肠道中的微生物通常来源于桑叶饮食（非本地），并由于 distinct 环境条件（如蚕肠道极碱性pH）被视为 transient。此类 transient 或非本地类群预计在非本地生境中表现出较低的丰度和适应性。相反，成功在生境中建立的类群往往表现出较高的丰度或更宽的生态位广度，表明增强的适应能力。

为了分类推定的非本地类群，我们采用了基于相对丰度和生态位广度指数的双标准方法。这种方法允许我们识别作为生境间连通性指标的类群。平均而言，每个生境中31.4%的细菌ASVs和23.3%的真菌ASVs被分类为潜在非本地。这些推定的非本地类群对宿主相关群落中的细菌丰富度贡献显著更高（平均39.0%和27.2%用于宿主和非宿主群落，分别）与真菌丰富度相比（平均22.3%和25.1%用于宿主和非宿主群落，分别），表明它们在不同生境类型中的不同作用。为了验证推定的非本地类群的起源，我们使用了宏基因组数据集并采用了基于单核苷酸变异的源追踪分析。与ASV水平分析相比，这种方法在检测跨生境微生物移动方面提供更高的精度。我们分析了108个宏基因组和1182个非冗余MAGs来自MF系统的基因组目录。这一分析显示，每个生境中推定的非本地类群的基因组变体强烈链接到其他生境中的微生物种群。例如，在鱼肠道中识别为非本地的类群表现出遗传特征主要可追踪到其他生境的宏基因组（90.0%）。这些发现证实这些非本地类群不是其当前生境的本土，而是可能通过跨生境微生物扩散引入。为了解决这些类群可能仅代表 relic DNA——来自细胞外或死细胞的DNA可能错误地表明微生物存在和活性——的可能性，我们进行了宏转录组分析。结果显示，显著比例的推定的非本地类群是转录活跃的，证实了它们的功能活性和生态相关性，并支持多生境景观在塑造生态系统微生物组中的关键作用。

本地群落的结构和功能可能受到不同生境之间生物扩散的影响。为了量化推定的非本地类群的贡献，我们比较了观察到的微生物群落与排除这些类群的模拟群落。尽管仅代表2.4%（细菌）和2.2%（真菌）的相对丰度，这些类群显著增强了群落丰富度：贡献9.1%（细菌）和7.8%（真菌）到整体分类多样性。进一步分析表明，有针对地移除非本地类群的群落表现出比观察到的群落和随机类群移除的模拟场景显著更低的分类丰富度。非本地类群也可能贡献功能互补性和冗余。为了进一步评估它们的贡献，我们使用基于MAG的功能 profiles 检查了群落功能丰富度和功能冗余指数。由于从显著宿主污染中获取微生物读数的技术问题，蚕肠道生境被排除在分析之外。我们发现，在缺乏推定的非本地类群的模拟群落中，功能丰富度显著低于观察到的群落以及随机类群移除的模拟。此外，功能冗余指数，通过系统发育分布测量拥有关键生物地球化学功能的群落成员，也在缺乏推定的非本地类群的群落中显著减少。

总的来说，这些发现突出了生境间连通性在促进微生物群落多样性和功能中的重要作用。非本地类群对分类和功能多样性的不成比例贡献强调了多生境景观对维持生态系统功能性的重要性。

生态和功能趋同揭示跨生境类群的适应机制

多生境景观可能通过扩散促进每个生境的微生物多样性，并 favor 能够适应多个生境的微生物。最近的研究报告，具有广泛空间生态位的微生物类群通常在生态水平上微多样化（例如，操作分类单元内的ASVs）， contributing to their high prevalence。因此，我们检查了在生态系统尺度具有广泛空间生态位的类群的微多样性（那些存在于多个生境类型中） within the MF system。通过比较与不同数量生境相关的OTUs内的ASVs数量，我们发现跨生境OTUs表现出更多的 intra-OTU ASVs。在ASV水平，跨生境ASVs有更相似的最近亲属与那些限制在较少生境类型的相比。换句话说，这些跨生境类群一致表现出更大的生态细尺度多样化，支持它们增加的微多样性。总的来说，这些结果揭示了跨生境类群中 greater microdiversity 的生态趋同， contributing to their high prevalence across habitats。

此外，我们发现这些跨生境ASVs跨越广泛的分类和系统发育范围。一致地，来自科如Mycobacteriaceae、Nitrososphaeraceae和Burkholderiaceae的MAGs在所有检查的生境中观察到，与它们已知的广泛环境分布一致。这一普遍性提出了关于遗传机制的问题，如基因组简化或适应性基因获取，在跨生境类群中。16S rRNA操纵子拷贝预测分析显示，跨生境ASVs倾向于拥有更高数量的rRNA操纵子拷贝。这一特征可能允许它们实现更快的最大生长速率并快速响应环境资源，r-策略者的典型特征。支持这一点，从密码子使用统计预测的最小倍增时间 of MAGs 证实了它们快速生长的能力。此外，基于MAGs的基因组注释表明，由具有不同出现生境数量的MAGs编码的基因聚类成三个不同的组：Cluster 1，在跨生境物种中 depleted，和Cluster 2/3，在它们中 enriched。耗竭的功能通路包括鞭毛组装、趋化性、生物膜形成、分泌系统和错配修复。相反，与遗传信息处理相关的功能，如非 homologous end-joining 和核糖体，被 enriched，这与它们更高的微多样性和快速生长一致。几个代谢相关通路，包括辅因子合成、氨基酸合成和碳代谢，也被 enriched。总体而言，这些生态和功能趋同揭示了跨生境类群的适应机制。

生境和微生物多样性关系在全球尺度

在MF系统中观察到的模式揭示，多样生境可以相互充当物种库， thereby increasing species pools。因此，具有更多样生境类型的景观往往支持每个生境内更高的微生物群落多样性。这一观察提出了一个引人注目的问题：这些发现能否 extrapolated 到全球尺度？为了解决这一点，必须认识到生境多样性的概念，通常称为生境异质性，是上下文相关的。在我们的案例中，MF系统内的六个 distinct 生境类型代表了一种直观的生境多样性形式；然而，在实地研究中直接量化这种多样性是具有挑战性的。遥感技术，结合光谱数据和先进算法，被广泛用于评估生境信息。例如，增强植被指数（Enhanced Vegetation Index, EVI），范围从-1到+1，可以指示各种生境类型：得分 above 0.2 代表植被覆盖，低正得分表示裸土或建筑区域，负得分表示水源。生境多样性/异质性 then 可以从光谱异质性推断基于EVI imagery 的纹理特征，如全球生境异质性指数。遥感研究表明，生境多样性 positively 影响宏观生物多样性，包括昆虫、鸟类、爬行动物和哺乳动物。然而，尽管微生物在生态系统功能性和服务中扮演关键角色，生境多样性与微生物群落之间的关系仍未探索。为了弥合这一差距，我们调查了微生物多样性与其地理区域内生境多样性之间的关系，使用全球生境异质性指数作为生境多样性的代理。土壤微生物群落被分析 due to their ecological significance and the abundance of available data。我们分析了1989个土壤细菌和2132个真菌群落与1 km空间分辨率的生境异质性相关。在控制研究身份、土壤类型和气候因素后，观察到生境异质性与微生物多样性之间的显著正相关关系（P = 0.009和P = 6×10^?6在细菌和真菌中，分别；线性混合模型）。此外，我们检查了全球土壤宏基因组的功能多样性（n = 340），并发现生境异质性与功能多样性之间的一致正相关关系（P = 0.009，线性混合模型）。这些结果表明，生境多样性较高的区域往往支持当地微生物群落更高的分类和功能多样性。额外的微多样性分析 confirmed similar trends， reinforcing the association between habitat diversity and microbial diversity。

讨论

在人类世——一个以前所未有人类影响为标志的时代——我们正在目睹全球生态系统服务和韧性的危机， due to reduced habitat complexity and species extinction。TASs long harnessed ecological strategies that not only optimize agricultural productivity but also support biodiversity。我们的研究提供了第一个微生物学证明，这些祖先农业遗产如何作为 significant reservoirs of microbial diversity， containing novel microbial genetic resources。值得注意的是，MF土壤比全球土壤平均值拥有更大比例的未描述类群， suggesting the uncharted microbial “dark matter” within underexplored MF systems。新颖类群的准确评估可能受到测序平台、引物选择偏见和数据库限制等因素的影响。例如，引物选择可能通过优先排除或 underrepresenting 某些系统发育组别而 skew 结果。未来 incorporation of complementary approaches like culturomics may help resolve these unclassified lineages and enable more robust characterization of microbial genetic novelty within these systems。 Given the steep decline of traditional agriculture and the threats posed by climate change， increasingly urgent to prioritize the preservation and detailed characterization of the unique microbial genetic resources。 Efforts to document microbial resources in vulnerable ecosystems are already underway； for example， metagenomic sequencing has been used to reconstruct microbial genomes and compile genome catalogs in melting glaciers， which are threatened by global warming。 In the future， we aim to build gene and genome catalogs from extensive metagenomic data in MF systems and other important TASs， ensuring that these invaluable genetic resources are archived for conservation， biotechnological applications， and microbial ecology research。

微生物生态学的一个中心目标是澄清驱动微生物群落组装的过程和机制。MF系统的独特多生境景观为生态系统微生物组组装提供了经验证据和新见解。在本地和全球尺度，我们观察到生境多样性与微生物多样性之间的正相关关系，这一发现呼应了通常应用于宏观生物多样性模式的“生境异质性假说”。值得注意的是，宏观生物的研究通常评估大区域内的物种丰富度，并强调生态位分化机制。相比之下，我们的研究依赖于从 localized sites 收集的样本，并专注于生境间连通性。换句话说，这项研究强调，生态系统级整合对于 deciphering 微生物多样性分布模式和群落组装机制至关重要。我们的结果也支持质量效应，其中不利生境中的微生物种群通过从源群落的连续移民维持，即源-汇动力学。这一过程使 transient 或 less sustainable species 能够贡献于微生物丰富度和功能性。一个生境中的微生物种群可以供应其他生境的物种库。因此，更大的生境多样性增加了多样微生物扩散并丰富每个生境内当地微生物群落的可能性。非本地类群的分类可能被时间动态或检测阈值混淆。跨生境的环境条件变化也可能 skew 分析并低估推定的非本地物种的贡献。例如，土壤的复杂结构和微生境可以促进物种共存。尽管不可避免地存在假阳性和假阴性，我们的分析一致强调了多生境景观在塑造生态系统微生物组中的关键作用。这些发现与最近提出的“统一假说”一致，该假说认为基于扩散的过程是关键的生物多样性维持机制。虽然我们的MAG水平分析提供了宝贵见解，但它可能受到低估低丰度微生物和 strain-level variations 的限制。为了 fully elucidate 推定的非本地类群的生态重要性，进一步调查应采用互补方法，包括完整基因组参考、超深宏基因组测序和合成微生物联盟。此外，从遥感推断的生境多样性可能被分辨率限制、地理变异性和气候因素混淆。未来研究应检查全球生境多样性对微生物多样性的直接和间接贡献。总的来说，这项研究为生态系统级微生物组装研究铺平了道路，强调需要将多生境视角整合到微生物组研究中。我们结果的含义延伸到保护政策，倡导优先考虑生境多样性以 safeguard 微生物组健康和生态功能性 worldwide。在农业背景下，生境多样性可以通过各种可持续实践实现，如作物轮作（时间异质性）、间作和建立半自然生境，这可以增强农业生态系统的可持续性和韧性，并确保粮食生产。

生态系统内的生境间连通性促进跨生境类群，同时驱动进化选择压力 favor 适应多样环境的微生物。值得注意的是，在跨生境微生物类群中观察到的生态和功能趋同揭示了它们在多样环境中的适应策略。这些类群表现出 pronounced microdiversity， characterized by genetically similar subtaxa， supporting their broader niches across habitats。这种微多样性可以增强微生物功能在波动环境条件下的韧性， thereby stabilizing the ecosystem functions that they mediate。另一方面，它们在生境中的广泛存在 underpinned by genetic adaptations that enable survival in varying environmental conditions。一个显著特征是它们更高数量的16S rRNA操纵子拷贝，这促进了快速生长和对资源可用性的快速响应——对于在具有动态条件的多个生境中导航的生物至关重要。基因组 enrichment 在与遗传信息处理相关的功能中，如非 homologous end-joining（一个容易出错的DNA修复过程）和核糖体活性，与观察到的微多样性和快速生长能力一致。跨生境类群也表现出 metabolism-related pathways 的 enrichment，包括辅因子合成和氨基酸合成。这允许它们在资源可变环境中维持生命并利用多样生态位，而不依赖于稳定的交叉喂养关系。一致地，环境变异性可能通过减少微生物之间的代谢依赖性促进代谢自主性。权衡似乎是生境特定特征（例如，生物膜形成和趋化性）的减少，这可能对跨生境类群 less critical。总的来说，这些模式突出了环境变异性与微生物适应性之间的相互作用，提供了对促进在多生境景观中多样生态背景下微生物成功的机制的见解。值得注意的是，这些类群跨越广泛的分类和系统发育谱系，表明更广泛的生态策略而非谱系特异性现象。

结论

这项研究提供了对MF农业遗产内微生物多样性的第一个全面分析，揭示了新颖的遗传资源。从MF系统获得的见解强调了多生境景观在塑造微生物组中的作用，正如全球数据集分析所支持。在多个生境中发现的类群表现出微多样性和适应性遗传特征的趋同，揭示了其适应性的生态和功能机制。这些发现强调了祖先生态智慧在制定可持续农业策略、增强微生物多样性和加强全球变化下生态系统韧性中的重要性。