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DOI:10.1007/s11104-023-06396-7该文章对来自三个主要耕地（旱地、稻田和稻旱轮作）土壤的已发表测序数据（共64篇的3109个土壤样品数据）进行了综合分析，以此了解农业生态系统土壤微生物群落和功能模式。旱地、稻田和稻旱轮作农田系统土壤中细菌群落分类群的特征和预测功能。土壤细菌在农田生态功能中发挥着关键作用。我们推测，尽管全球气候和土壤条件存在巨大差异，但主要农作物土壤特性的优化导致了三种农田土壤共有的特定微生物群落。组装过程的类型决定了微生物群落的组成和功能。确定性和随机过程同时促进微生物组装。水稻土的特点是厌氧环境、强烈的氧化还原变化过程以及较高的土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）含量，所有这些都意味着微生物群落的强烈环境选择。因此，我们的第一个假设是，确定性过程对稻田土壤中微生物组装的贡献大于农田土壤中的微生物组装。休眠和复苏能力增加了微生物对环境波动（例如干湿循环）的抵抗力。在合适的条件下，具有高核糖体操纵子拷贝数的微生物（即富营养型，r策略）可以快速响应资源可用性的脉冲并恢复其活性。水旱轮作土壤经历频繁的干湿循环，导致环境波动剧烈。因此，我们的第二个假设是，适应水旱轮作的微生物具有很强的休眠和复苏能力，可以在频繁的干湿循环下维持群落稳定性。功能冗余可能在干扰期间维持生态系统稳定性方面发挥至关重要的作用。功能冗余使得功能特性比微生物分类组成在应对环境变化时更加稳定。1. 合并原始序列数据并将 16S rRNA 片段映射到全长序列。图1 农田的位置和类型。各站点年平均气温（MAT）和降水量（MAP）以及土壤pH和SOC的分布。旱地以红色显示；稻田用蓝色表示；稻田轮作以绿色显示。2. 细菌多样性和聚类分析 3. 休眠潜力、异养策略和功能预测分析 通过将每个分类单元的相对丰度乘以其拷贝数求和来计算加权平均核糖体操纵子拷贝数，该拷贝数由 PICRUSt2 确定，它代表微生物的异养策略及其响应速度资源。假定富营养生物比寡营养生物拥有更多的拷贝数。重点关注编码孢子形成因子的基因和毒素-抗毒素系统，这些基因是使用 KEGG 获得的。使用默认参数在 Galaxy/DengLab 中使用原核类群功能注释 (FAPROTAX) 执行生态功能。 4. 随机森林模型和指标分析 5. 中性模型推断农田土壤细菌组装过程 6. 环境和空间参数对土壤微生物群落组成和功能变化的贡献 结果1 三种农田类型土壤的细菌多样性、群落组成和功能特征图2 不同农田类型的微生物群落概述。三种农田类型土壤中细菌群落的 zOTU 数量（a）和香农多样性（b）旱地土壤的丰富度和香农多样性最高。主坐标分析 (PCoA) 显示微生物群落根据三种农田类型进行分离 (c）UPGMA 根据成对样本之间的 Bray-Curtis 距离评估门水平细菌群落的相对丰度 (d)三种农田类型土壤中前九个门的相对丰度（e）图S6 基于FAPROTAX的三种农田土壤差异细菌的功能特征。旱地土壤中的细菌群落相较于水稻田和水稻-旱地轮作土壤，具有与芳香化合物降解、几丁质分解和尿素分解相关的更高功能潜力。水稻田土壤中的细菌群落具有比其他农田土壤更高的与养分循环相关的功能潜力。这些功能潜力与氮（N）和硫（S）代谢途径有关，包括反硝化、硝酸盐还原和呼吸、亚硝酸盐反硝化和呼吸、固氮、氮呼吸、笑气反硝化、S化合物呼吸和S呼吸等。Arthrobacter在旱地土壤中比在其他类型更为丰富；水稻土中Methylocystis 和Anaeromyxobacter富集；水旱轮作下的三个属（即硫杆菌属、属于 Solibacteraceae 类的 GOUTB8 和 Sideroxydans）比其他农田土壤更为丰富。旱地土壤中的尿素分解和需氧氨氧化作用比其他农田土壤更强。水稻土中富集了与甲烷氧化、碳氢化合物降解、硫酸盐呼吸、硫化合物呼吸和甲基营养相关的五种潜在功能。图3 指示类群和预测功能取决于农田类型。根据indval评分结果，对旱地、水稻和水旱轮作农田系统的土壤进行属水平的细菌分类和预测功能富集。通过应用微生物群相对丰度的随机森林分类以及针对旱地、水稻和稻旱地的预测功能，确定了前 11 个细菌属（左）和 12 个预测功能（右）。生物标记分类单元和预测函数按对模型准确性的重要性降序排列。相较于水稻田和水稻-旱地轮作土壤，旱地土壤中的细菌群落承载着约25-130%更高的孢子形成基因丰度，以及约41-51%更高的毒素-抗毒素生成基因丰度。旱地土壤细菌群落的rRNA操纵子计数水平最高，分别比水稻和稻旱轮作土壤中的细菌群落高20%和10%（表明对资源可用性的反应更快）。图4 农田的休眠潜力和异养生长策略。PICRUSt2 估计的三个农田组土壤中休眠基因（孢子丰度和毒素-抗毒素丰度）和加权平均核糖体拷贝数的 log 10 丰度。中性模型用于评估扩散限制和生态漂移的贡献。旱地随机过程的贡献更大（R2）。分布在预测之上的类群应该是受到环境的正向选择或者具有较强的扩散能力。在旱地土壤中，变形菌门（32%）、放线菌门（23%）和酸杆菌门（18%）的分布高于预测值，并且在芳香族化合物降解、几丁质分解和尿素分解方面具有较高的功能潜力。图5 基于中性模型的微生物组装估计。出现频率高于模型预测的 zOTU 以橙色显示，而出现频率低于预测的 zOTU 以绿色显示。蓝色虚线代表模型预测周围的 95% 置信区间，落在置信区间内的 zOTU 被视为中性分布。直方图显示了三种农田类型土壤细菌群落中三类 zOTU 的累积相对丰度。出现频率高于模型预测的 zOTU 用于创建使用 FAPROTAX 分配的最终生态功能。线性回归分析表明，细菌分类组成和功能潜力的差异随着地理距离的增加而增加，表明距离衰减对细菌群落分类和功能组成的影响。图6b中，稻田的斜率最低表明稻田中微生物群落具有更高程度的功能冗余。图6 微生物组成和预测功能的距离衰减效应。（a）三个农田组土壤中地理距离与细菌群落（蓝点）或预测功能（红点）差异之间的关系。（b）细菌群落差异与预测功能差异之间的关系。实线表示拟合的线性回归模型。分类学的斜率比预测功能的斜率陡得多，这反映了微生物群落的功能冗余。相关分析表明，气候因素（MAT 和 MAP）和土壤特性（pH、SOC、TN、AP 和 C:N）强烈影响细菌群落多样性和组成（图S7）。变异分区分析（VPA）显示，农田类型、土壤、空间和气候因素分别占细菌分类组成和预测功能组成变异的36%和52%。土壤因素是细菌分类的主要贡献者，而农田类型则负责预测的功能。图7 基于方差分区分析与 PCNM 空间尺度分析相结合计算的环境和空间因素对旱地、水稻和旱地轮作农田系统土壤细菌群落分类（上）和预测功能（下）的贡献。图S7 微生物群落和功能的环境驱动因素。显示了环境因素和多样性之间的成对斯皮尔曼相关性。根际互作生物学研究室 简介
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