苹果园土壤群落组成驱动因素：环境宏条形码分析揭示多营养级微生物多样性与群落构建机制

《Environmental Microbiology Reports》：Drivers of Soil Community Composition in Apple Orchards: Insights From Environmental Metabarcoding

　　

专业摘要翻译： 土壤生物多样性在苹果园生产力中发挥着至关重要的作用。研究人员通过环境DNA宏条形码技术（environmental DNA metabarcoding，分别采用16S、18S和ITS引物）对意大利北部同一区域种植者协会所属的26个苹果园中的原核生物（prokaryotes）、原生生物（protists）和真菌（fungi）的生物多样性进行了研究。研究人员评估了α多样性和β多样性、距离衰减关系（distance decay relationships）、迁入率（immigration rates）和群落组装过程（community assembly processes）、空间与环境之间的方差分配（variance partitioning），以及2023年夏季表层20 cm土壤中原核生物和真菌的推定功能（putative functions）。尽管管理措施一致，各果园在α多样性方面表现出巨大差异，单一果园仅拥有总多样性的一小部分。原生生物的平均β多样性最低，其次为原核生物和真菌。尽管所有生物类群的迁入率均较低——反映出在所有果园中共同出现的分类群数量较少——原核生物和原生生物的迁入率仍相对高于真菌，这支持了大小-可塑性假说（size-plasticity hypothesis）。群落组装主要受随机过程（stochastic processes）支配，尽管确定性过程（deterministic processes）也具有重要意义。所有生物类群的群落组成均以周转（turnover）为主导。原核生物的推定功能主要涉及碳和氮循环。该研究为苹果园中不同营养级土壤生物多样性的机制提供了深入见解。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

农业生产力与作物品质从根本上受到土壤物理、化学和生物性质的影响。微生物多样性是土壤的重要组成部分，微生物提供有机质分解、腐殖化、生物地球化学养分循环等关键生态系统服务，还能与植物建立共生关系、抑制或缓解植物病害，或作为植物病原体存在。土壤生物多样性、植物与环境之间的相互关联决定了农业管理实践的复杂结果。

在主要水果作物中，苹果在全球产量排名第二，仅次于香蕉，是农业景观的关键组成部分。然而，基于DNA的多年度作物系统（如苹果园）的生物多样性研究仍然有限，尤其是对原生生物多样性的了解更为匮乏。这种对管理型苹果园土壤生物多样性缺乏全面认识的现象，构成了多年生农业生态系统研究中的一个重要知识空白。

尽管同一区域种植者协会的果园采用统一的管理措施，但当地立地条件可能产生空间变异。基于这一前提，研究人员提出两个假设：第一，尽管接受同一种植者协会的统一农业管理，原核生物、真菌和原生生物群落对非生物土壤特征的反应不同；第二，位点特异性的理化土壤参数比地理距离/扩散对微生物群落组成变异的解释比例更大。此外，该研究还旨在提供意大利苹果园微生物多样性的基线信息，这是理解与时间和实践变化相关的变化的前提条件。

二、研究内容与主要结论

本研究采用原核生物、原生生物和真菌的宏条形码技术，结合土壤理化参数，对意大利北部特伦蒂诺地区26个苹果园（属于区域种植者协会APOT，苹果种植面积超过8000公顷，约4000名农户）的生物多样性及其驱动因素进行了整体性认识。该地区生产意大利约20%的苹果。

研究发现，尽管管理措施一致，各果园在α多样性方面表现出巨大差异，单一果园仅拥有总多样性的一小部分。原生生物的平均β多样性最低，其次为原核生物和真菌。所有生物类群的迁入率均较低，但原核生物和原生生物的相对迁入率高于真菌，支持大小-可塑性假说。群落组装主要受随机过程支配，但确定性过程也具有重要意义。所有生物类群的群落组成均以周转为主导。原核生物的推定功能主要涉及碳和氮循环。

三、关键技术与方法

研究人员采用环境DNA宏条形码技术对26个苹果园（隶属意大利北部特伦蒂诺地区同一区域种植者协会APOT）的土壤样本进行分析。采样于2023年夏季进行，采集树行之间表层20 cm土壤，每个位点收集四个独立土芯并混合为单一复合样本。土壤样本过筛后提取总DNA，分别使用16S、18S和ITS引物扩增原核生物、原生生物和真菌的eDNA，在Illumina MiSeq平台进行2×300 bp双端测序。使用DADA2获取扩增子序列变异（ASVs），分别采用SILVA、PR2和UNITE参考数据库进行分类学注释。理化分析涵盖土壤质地、pH、总碳酸盐、有机质（SOM）、总氮（N_tot）、有效态元素等指标。统计分析包括Hill数α多样性、Aitchison距离β多样性、归一化随机性比（NST）、Sloan中性模型、方差分配等。

四、研究结果

4.1 化学和物理土壤变量

化学变量在调查的果园间表现出显著异质性。重金属如Cu、Zn和Pb分别变化高达71倍、39倍和11倍，但总体低于农业土壤的监管阈值水平。总CaCO₃（51倍）、活性CaCO₃（12倍）和P（20倍）也表现出高变异性。主成分分析显示，果园主要根据重金属（PCA1负载荷）和土壤质地、电导率及pH（PCA1正载荷）进行区分。

4.2 α多样性和果园分组

在所有果园中发现的ASV总数中，单个果园仅拥有总库的一小部分（原核生物<25%；原生生物<13%；真菌<16%）。基于α多样性指数的果园排名在细菌、原生生物和真菌之间表现出显著差异。真菌ASV丰富度随海拔、SOM含量和N_tot增加而增加，但随Cu含量显著下降；原核生物ASV丰富度则随海拔升高而降低。

4.3 细菌和古菌

原核生物ASV归属于42个门，10个最丰富的门占总相对丰度的89%-97%。Actinobacteriota、Acidobacteriota和Proteobacteria在15个果园中为主导门。仅0.65%的原核生物ASV构成核心群落，主要属于Acidobacteriota、Proteobacteria、Actinobacteriota和Crenarchaeota。FAPROTAX预测了52种功能，其中好氧氨氧化（15%±4.6%）、硝化作用（15%±4.6%）和好氧化能异养（15%±2.3%）占最高平均丰度。

4.4 原生生物

原生生物ASV归属于22个门，10个最丰富的门占总相对丰度的95%-99%。Alveolata在所有果园中均出现，占相对丰度的8%-61%。仅0.11%的原生生物ASV构成核心群落，归属于Evosea、Stramenopiles、Chlorophyta和Rhizaria门。核心ASV中包括引起幼年苹果树根腐病的Pythium属、食细菌变形虫和潜在混合营养土壤藻类。

4.5 真菌

真菌ASV归属于19个门，10个最丰富的门占总相对丰度的99%-100%。Ascomycota、Basidiomycota和Mortierellomycota在17个果园中为主导门。仅0.19%的真菌ASV代表核心真菌多样性，主要属于Ascomycota。FUNGuild功能注释显示，许多读数未分配（46%±5.9%），腐生菌（28%±6.5%）和病原菌（25%±7.6%）丰度较高，菌根真菌丰度较低（<1%）。

4.6 β多样性

原生生物的平均β多样性最低，其次为原核生物和真菌。原核生物和原生生物表现出与空间和环境距离的显著距离衰减关系，原核生物的衰减强度高于原生生物；真菌的β多样性与空间和环境距离均无显著关系。

4.7 群落组装过程

原核生物、原生生物和真菌均以随机群落组装为主（NST_原核生物=72.4%；NST_原生生物=59.5%；NST_真菌=53.5%）。Sloan中性模型显示所有类群迁入率接近0，原核生物最高，其次为原生生物和真菌。基于存在/缺失和丰度数据，所有类群的物种周转均占主导（>90%）。

4.8 生态位宽度

原核生物广适性ASV的平均生态位宽度最高，其次为原生生物和真菌。

4.9 方差分配

总解释变异以原核生物最高，其次为真菌和原生生物。环境变量对真菌的方差解释比例最大，其次为原核生物和原生生物；空间预测因子对细菌和原生生物的解释更多。海拔、K和Zn对原核生物和原生生物均重要，而黏粒仅对原核生物重要，果园年龄仅对真菌重要。

五、讨论与结论

研究证实了第一个假设：原核生物、真菌和原生生物尽管接受统一农业管理，但对非生物土壤特征的反应不同。真菌丰富度随海拔升高而增加而原核生物降低，Cu与原核生物和真菌群落相关，而有机质、电导率和果园年龄仅对真菌重要。

关于第二个假设，位点特异性理化土壤参数对原核生物和原生生物群落变异的解释比例大于地理距离。然而，真菌是明显例外：它们没有表现出空间距离衰减，地理空间对其群落结构几乎没有解释变异，表明在该研究尺度（约65 km）真菌扩散不受距离限制。

研究还发现，土壤生物群落的组装主要由随机过程支配，这与苹果园中随机性占优的日益增长的证据一致。原核生物、原生生物和真菌中随机组装的主导地位支持大小-可塑性假说，即微生物主要受扩散驱动而非环境过滤，这归因于其相对于宏观生物的高代谢灵活性和环境耐受性。

苹果园中核心原核生物、原生生物和真菌ASV数量少可能源于随机群落组装和普遍较低的扩散速率。研究提供了意大利苹果园微生物多样性的基线信息，为理解与时间和实践管理相关的变化奠定了基础，并强调了涵盖不同土壤生物类群的综合性研究对于全面评估土壤特性对微生物多样性影响的重要性。