入侵芦苇重塑美国东北部盐沼土壤细菌群落组成与预测功能潜力

《Environmental Microbiome》：Phragmites australis invasions linked to shifts in soil microbial community composition and functional potential in a Northeastern U.S. salt marsh

　　

摘要

背景

美国东北部的沿海盐沼正日益受到外来Phragmites australis（芦苇）非本地谱系的入侵影响，该物种可改变沉积物特性、养分动态和地下微生物群落。然而，这些与植被相关的变化在多大程度上影响微生物群落组成和预测的生态功能，目前仍不完全清楚。我们在康涅狄格州 Quinnipiac 河口的半咸水盐沼中，比较了入侵种Phragmites australis和本土种Sporobolus alterniflorus（原名Spartina alterniflora）的关联土壤。我们量化了土壤理化性质，利用高通量16S rRNA扩增子测序和扩增子序列变体（ASV）工作流对细菌群落进行了表征，并使用 FAPROTAX 评估了预测的微生物功能。

结果

总氮和土壤有机碳储量（SOC）在不同植被类型之间无显著差异，而Phragmites土壤表现出更高的容重，pH 值在不同植被类型和季节之间存在差异。Sporobolus土壤的碳氮比（C:N）更高。不同植被类型之间的α多样性（观测丰富度、Shannon指数和Simpson指数）相似；然而，基于 Bray–Curtis 相异性的微生物群落组成存在显著差异（PERMANOVA，p?<?0.001）。两种植被类型仅共享6,104个ASV（占总群落的15.2%），而15,452个ASV（38.4%）为Phragmites土壤所特有，18,674个ASV（46.4%）为Sporobolus土壤所特有。多变量排序进一步表明，群落结构与植被类型以及所测土壤理化梯度显著相关，尤其是pH、容重、C:N比、土壤碳和总氮。预测的功能注释分析表明，Phragmites土壤中硝化相关类群的相对丰度显著更高，而硫酸盐呼吸相关类群在Sporobolus土壤中显著更丰富。纤维素分解、发酵、甲烷生成或固氮方面未检测到显著差异。

结论

虽然Phragmites australis的入侵未与细菌整体α多样性的变化或土壤碳氮储量的变化相关联，但我们的分析表明其与微生物群落组成和预测功能潜力的显著变化相关联。这些发现表明，植物入侵可能在重组美国东北部盐沼地下微生物群落中发挥作用，但未必影响微生物多样性。功能分析还表明，这对东北部盐沼中的氮循环和硫循环具有重要意义。未来需要结合宏基因组学、功能基因定量、生物地球化学过程速率的直接测量以及长期环境监测的研究，以确定这些预测的功能差异是否会导致生态系统功能的可测量变化。