性状相关筛选与跨界营养级转移刻画农业黑土中网菌门微捕食者网络

《Microbiological Research》：Trait-associated filtering and cross-kingdom trophic shifts characterize dictyostelid micro-predator networks in agricultural Mollisols

　　

摘要

集约化耕作对黑土的结构性稳定性构成严重威胁，进而危及其所依附的农业生态系统。尽管细菌和真菌对这种退化所作出的组分响应已有详尽记录，但作为微生物碳循环关键调控者的原生动物顶级捕食者的生态进化命运仍然是一个严重的认知盲区。在此，我们整合大规模分子系统发育分析、高分辨率形态学表型鉴定以及多界域扩增子测序，解析了一个耕作时序序列中群体性黏菌（变形菌类）的群落组装与营养动态。我们发现了 Dictyostelid（多头霉目）类群中先前未被认识的谱系多样性，这些多样性在看似宏观生态韧性的表象下依然存在。然而，这种韧性掩盖了垂直空间分层结构的显著压缩——机械耕作侵蚀了垂直空间生态位并施加了严苛的形态学过滤，持续淘汰大型、迁移性物种，同时选择性地筛选出结构强健、等比受约束的表型。尤为关键的是，我们鉴定出一条与捕食者-猎物脱耦联相关的 pH 驱动路径。土壤酸化加剧的同时，出现了一种宏观生态模式：Dictyostelid 多样性从以捕食细菌为主导的营养级中解耦，转而与革兰氏阴性细菌猎物呈选择性耦合，这为未来拟饵实验提供了一个可检验的假说。此外，本研究揭示了 Dictyostelid 对特定腐生真菌的结构依赖性，我们提出了一个实证假说：变形虫可能利用菌丝网络作为物理支架（"微高速公路"）来弥补耕作导致的物理性土壤孔隙丧失，这一生态学模型有待未来微观验证。上述发现为理解土壤生态提供了基础性框架，表明农业干扰不仅仅使群落同质化，还伴随隐性的表型权衡而驱动微型食物网的重组织，可能改变退化土壤的生物地球化学功能。

引言

黑土（Mollisols）被全球公认为"黑土地"，是农业生产力生物地球化学的骨干。其特征是具有厚实的、富含土壤有机质（SOM）的暗色均腐层（mollic epipedon），这类土壤生态系统对于维持全球粮食安全和通过巨大的碳封存潜力缓冲气候变化不可或缺（Afrough 等，2013；Amundson & Biardeau，2018；Kopittke 等，2022；Wang 等，2024b）。黑土固有的农艺价值和结构韧性由高度互联的土壤微生物组驱动，后者调控有机质周转、养分化学计量以及植物-土壤反馈（Jansson & Hofmockel，2020；Sokol 等，2022）。然而，数十年来的集约化人为干扰——包括连续耕作、单作以及大量农业化学品投入——加速了黑土退化。除土壤酸化和严重碳损失外，这种退化还关键性地破坏了微生物营养网络，导致生态系统多功能性的深刻丧失（Tamburini 等，2020；Song 等，2025；Sui & Dai，2025）。

尽管土壤原核生物和真菌对黑土退化的分类学和功能性响应已得到广泛阐述（Yang 等，2023；Gao 等，2024a；Li 等，2024a），但由于历史上对土壤原生生物的忽视，我们对土壤食物网的机制性理解仍不完整（Yang & Gu，2025；Perez-Villanueva 等，2026）。然而，仅聚焦于基础的细菌和真菌分解者，就无法审视微生物碳循环中的自上而下的调控力量。作为顶级微型捕食者，原生生物通过自上而下的控制来编排微生物种群动态、群落组装和养分矿化（Geisen 等，2018；Xiong 等，2018）。在摄食型原生生物中，群体性黏菌（变形菌门，阿米巴纲）（Baldauf & Doolittle，1997）代表着一个独特而极具价值的模型。与主要依赖土壤水膜且缺乏可量化宏观生活史结构的单细胞原生生物类群（如丝足虫门或纤毛虫门）不同，群体性黏菌经历一个短暂的多细胞生活史，从独居的变形虫过渡为迁移性的假原生质团和有柄子实体。这种独特的发育周期提供了可触及的物理性状（如孢子高度、柄细胞性和假原生质团的迁移能力），将微型捕食者的觅食和扩散效率直接与土壤团粒大孔隙结构和耕作引发的生物力学剪切应力耦合起来。凭借这些宏观性状，群体性黏菌作为评估土壤生态系统物理和营养干扰的敏感性、基于性状的生物指示物具有独特优势（Raper，1984；Schaap 等，2006；Romeralo 等，2012；Baldauf 等，2018）。

然而，当前的土壤群体性黏菌生态学仍受制于三个关键的知识空白，这也使本研究区别于以往工作。第一，现有研究过度依赖宽泛的 DNA 宏条形码测序，忽略了决定团粒孔隙网络中生物力学生存能力的物理生活史性状。第二，尽管全球调查几乎全部聚焦于未受干扰的森林生态系统（Liu 等，2020；Raouf 等，2022；Liu 等，2025；Zou 等，2025），但退化农业黑土上群体性黏菌的性状组装和隐性多样性仍未被表征（Zhang 等，2025a）。第三，原生生物研究仍然严格以细菌捕食为中心，完全没有探索与腐生真菌网络之间潜在的非营养物理互作。尤为关键的是，尽管其选择性捕食特定细菌类群的能力已有详实记录（Sanders 等，2017；Shi 等，2024；Zhang 等，2025b），但破解这些跨界域的群体性黏菌-真菌互作和捕食者-猎物动态对于构建土壤食物网稳定性的整体模型至关重要。

集约化农业实践深刻改变了土壤的物理化学结构，破坏了团粒结构、水分动态以及微生物生态位的垂直分层（Sun 等，2018）。具体而言，机械耕作物理性地翻转土壤层并均质化微生境，由此提出了一个根本性问题：微生物的持续存在究竟是通过随机漂变维持，还是受确定性生态位过滤所主导。因此，预测退化土壤中微生物的韧性需要从简单的分类学名录转向基于性状的生态学（Malik 等，2020），因为环境胁迫通过多层次过滤发挥作用——既有物理性的（生物力学剪切和孔隙破坏），也有生物性的（土壤 pH 变化和猎物可利用性改变）。对于群体性黏菌而言，不同的形态和行为性状，如孢子尺寸、柄细胞性和假原生质团的强健迁移能力，反映了资源分配、胁迫耐受和扩散中的关键进化权衡（Hehmeyer，2019）。尤为关键的是，由于群体性黏菌依赖细菌和真菌网络来获取营养和结构支架，严重的农业退化可能施加确定性过滤，不仅塑造其形态性状，还可能破坏跨界域的捕食者-猎物动态。因此，探究退化农业环境如何过滤这些功能性状并破坏多营养级互作，对于解码黑土中原生生物持续存在和食物网稳定性的机制而言是必要的。

为填补这些根本性的知识空白，我们对东北中国不同农业制度下不同黑土亚类（黑土和灰钙土）的群体性黏菌群落进行了综合性多尺度研究。研究整合了培养物分离、详细形态学表型鉴定、基于 18S rRNA 的分子系统发育分析、土壤理化表征以及细菌 16S rRNA 和真菌 ITS 扩增子测序。本研究的主要目标是检验以下核心统一假说：农业耕作作为一种确定性的物理和土壤基质过滤器，通过抑制大型探索性形态性状和驱动沿土壤 pH 梯度的捕食者-猎物营养脱耦，重塑群体性黏菌微型捕食者网络，同时群落通过可塑性的表型权衡维持持续存在。更具体地说，我们希望通过解决四个关键目标来直接评估这一假说：（i）群体性黏菌的隐性分类学和谱系多样性是否在耕作和未耕作的黑土中持续存在；（ii）农业土地利用和土壤深度如何强制垂直空间均质化和性状过滤；（iii）哪些特定功能性状决定了耕作条件下的持续存在或衰退；以及（iv）土壤性质、细菌群落和真菌群落如何共同驱动营养脱耦和群体性黏菌群落组装。通过整合分类学、功能性状和跨界域微生物组数据，本研究建立了一个机制性框架，用于理解农业干扰如何重塑退化黑土中的原生生物捕食者和微生物食物网稳定性。

研究地点与实验设计

为了系统性地破解农业管理和土壤成土作用如何共同塑造群体性黏菌群落和跨界域微生物组，我们在中国东北吉林省黑土带实施了双层采样策略（图 1A，表 S1）。该框架整合了：（1）覆盖六个农业区域的区域性大尺度调查（n=201），专用于培养物基础的群体性黏菌分离以及形态学/系统发育表型鉴定；以及（2）集约化的……

黑土中群体性黏菌的隐性多样性与深层分支谱系

我们对华北黑土带 716 株分离物的大规模评估揭示了先前未被认识的谱系多样性与极高的分类丰富度，在 Dictyostelium、Heterostelium、Polysphondylium、Cavenderia、Coremiostelium 和 Raperostelium 属中鉴定出 24 个不同分类单元（跨越 2 目 4 科）（图 2A–C，E）。通过将详细形态学表型鉴定（图 S1–S18）与 106 条新的小亚基 rDNA 序列结合，我们在核心……

黑土作为顶级微型捕食者未被重视的进化避难所

农业生态学中占主导地位的范式认为，长期集约化耕作必然使土壤微生物组同质化并清除高营养级复杂性（Tsiafouli 等，2015；Peng 等，2024）。尽管农业管理无疑影响土壤生物群落，但我们的发现为这一框架增添了细微差别，揭示了耕作土壤中大量存在的原生生物多样性。通过打开群体性黏菌社会性变形虫的"黑箱"，我们的系统发育分析表明……

结论与未来展望

本研究表明，黑土中的集约化农业伴随群体性黏菌微型捕食者网络通过隐性表型权衡所进行的结构性重组。尽管展现出宏观生态韧性并蕴藏着先前未被认识的谱系多样性，但群体性黏菌群落在机械耕作下遭受严重的垂直空间崩溃。这种干扰施加了严格的性状介导过滤，选择性地筛选出结构强健、保守……

CRediT 作者贡献声明

李庄：资源提供、调查研究。金佳玲：可视化、验证、资源提供。李家欣：审阅与编辑、形式分析、数据整理。李宇：指导。Steven L. Stephenson：审阅与编辑。朱长琦：调查研究。李鑫：可视化。赵静：可视化、方法学、调查研究。张兆娟：原创撰写、软件、方法学、形式分析、数据整理、概念设计。刘普：审阅与编辑、经费申报。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金（批准号：32370020）和吉林省科技发展计划（批准号：20260101006JJ）资助。

张兆娟 | 赵静 | 李家欣 | 金佳玲 | 李庄 | 李鑫 | 朱长琦 | Steven L. Stephenson | 李宇 | 刘普

教育部食用菌研究中心，吉林农业大学，长春，130118，中国