Nature：土壤微生物组对极端事件表现出一致且可预测的响应
期刊：Nature
中文题目：土壤微生物组对极端事件表现出一致且可预测的响应
英文题目：Soil microbiomes show consistent and predictable responses to extreme events
作者： Knight, C.G., Nicolitch, O., Griffiths, R.I., Wanek, W., Franciska, T., et al.
发表日期：2024年11月27日
摘 要
越来越多的极端气候事件威胁着陆地生态系统的功能。由于土壤微生物控制着关键的生物地球化学过程，因此了解它们对极端气候的响应对于预测生态系统功能的影响至关重要。该研究将欧洲30块草地的土壤置于4种极端气候事件（干旱、洪水、冰冻和高温）的统一控制条件下，并将土壤微生物群落的响应及其功能与未受干扰的土壤进行比较。研究结果表明，来自不同气候的土壤微生物群落对极端气候事件表现出的响应虽小却高度一致，且在系统发育上保持一致。但预测群落变化的程度可能需要了解局地的微生物群落。这些发现加深了我们对土壤微生物对极端事件响应的理解，并为预测极端气候事件对土壤功能的影响迈出了第一步。
研究背景
了解土壤微生物群落对极端气候（干旱、洪涝、气温变化）的响应对于理解生态系统功能变化和提高气候变化预测至关重要。驱动微生物对极端事件响应的因素是多重的，涉及内在和外在因素之间复杂的相互作用。土壤微生物群落在地球生物地球化学循环中扮演着重要角色，尤其在碳、氮、磷等养分的循环中，微生物的活动直接影响到生态系统的物质流动和能量转换。因此，研究土壤微生物对极端气候事件的响应，对于预测气候变化对生态系统的潜在影响具有重要意义。近年来，大量学者对土壤微生物群落对极端气候事件的响应进行了研究，但大部分研究只专注于单一土壤或生态系统，这可能会夸大偏见。此外，随着气候变化的加剧，微生物群落对洪水、高温或冻结的响应远低于对干旱响应的认识。本研究通过跨越土壤类型和生物地理区域，研究土壤微生物对不同极端气候事件的响应，揭示极端气候对生态系统的深远影响。
科学假设
（1）不同极端气候事件使不同来源的土壤微生物群落向同一方向改变；
（2）相似的扰动使土壤微生物群落以相同的方向改变；
（3）本土气候条件选择了土壤微生物类群，使它们能够应对当地气候生态位中经常发生的极端气候事件。
研究结果
结果1：极端气候事件干扰下，土壤微生物群落表现出全球尺度上的统一性
* 对从10个国家的30个草原采集的土壤施加4种不同极端气候（干旱、洪涝、冰冻和高温）干扰，以及一个维持恒定温度和湿度的对照处理，NMDS（群落非度量多维缩放）排序表明，样本来源（国家和地区）是微生物群落组成的主要驱动因素，其次是干扰类型和干扰后经过的时间（图1）；
* 尽管土壤微生物群落在组成上存在显著差异，但在极端气候事件的扰动下，展现出了高度一致性；
* 干旱和冰冻事件导致了相似的群落变化方向，这是由于两者均会引发土壤水分的显著减少，从而诱导耐旱性和耐冻性微生物的优势化；
* 洪涝表现出与干旱和冰冻相反的干扰效果，富集了耐水性的微生物种群。
图1. 从欧洲各地收集的施加极端气候事件的实验设计及其对土壤的影响
a，b，分别为模拟极端气候事件的采样地点位置和实验设置。c，d，e分别为基于Bray-Curtis差异的原核生物（n = 576）、真菌（n = 574）和shotgun宏基因组（n = 308）。点的颜色表示土壤来源。f，g，h分别为冗余分析（RDA）排序中原核生物、真菌和shotgun宏基因组在极端气候事件实验后对群落的干扰影响。 在以国家和地点为条件的情况下，解释的方差百分比在RDA轴上仅显示前两个轴。原核、真菌和shotgun宏基因组的条件方差占总方差的比例分别为71%、68%和91%。DW，干重。
结果2：局部环境决定了微生物群落对极端气候事件的敏感性
* 模拟土壤微生物扩增子序列变异（ASV）对极端气候事件的响应，在相对丰度显著变化的ASV中，确定了10种不同的生态抵抗力和恢复力策略，发现土壤微生物群落对极端气候事件的敏感性依赖于局地的土壤和气候条件（图2）；
* 来自寒冷湿润地区的土壤对高温和干旱的抵抗力最低，而来自干旱炎热地区的群落则表现出更强的抗干扰能力；
* 在寒冷地区，土壤微生物对冰冻干扰的恢复能力较强，而湿润地区的土壤微生物更容易受洪涝的长期影响。
图2. 与500种最丰富的ASV相关的生态抵抗力和恢复力策略
a 、b分别为与原核生物和真菌相关的ASV。中心树显示了500种最丰富的ASV的分类，尖端按门着色（相对丰度越高的ASVs颜色越浓）。在树木周围的年轮中，紫色/蓝色表示ASV在干扰后表现明显消极（P≤0.05，细菌和真菌的样本数分别为548和586）。橙色表示在相同干扰后表现相对积极的ASV。颜色的阴影表示响应的动态，最深的阴影表示在干扰结束时与对照组存在统计学上的显著差异，随后在接下来的一个月里在同一方向上发生了统计学上的显着变化（即没有弹性）。最淡的阴影表明扰动结束时没有明显变化，但在接下来的一个月里出现了明显的差异。
结果3：极端气候事件下，功能基因的广泛变化
* 基于宏基因组测序对功能基因组分析，本研究揭示了多达46%的功能基因在极端事件中发生了显著变化，并且与土壤初始性质和气候条件密切相关；
* 湿润环境富集了与氮、钾、芳香族化合物代谢相关的基因，这与该地区资源丰富、微生物以迅速繁殖为主的富营养型生长策略相一致；
* 高pH且干旱环境则富集了与休眠、孢子化、蛋白质和碳水化合物代谢相关的基因，表明贫营养型生长策略的微生物通过降低代谢活动来应对资源匮乏的压力；
* 高温环境对微生物功能基因的影响最为显著，增强了休眠与孢子化基因的表达，同时显著降低了代谢多样性。进一步验证了高温对土壤微生物群落的显著干扰效应，揭示了潜在的生态后果。
图3. 极端气候事件干扰下蛋白质功能丰度的变化
a和b分别为宏基因组样本中与对照相关的功能分类。a，干扰对28个最高丰度功能的影响；红色表示该扰动后丰度增加，蓝色表示丰度减少。使用S1和S4的数据（n=280个宏基因组样本）。水平轴上显示了该模型估计的相对于控制（±s.e.m.）的干扰比例变化；各处理间功能变化显著（P≤0.05）。b，28个最高丰度的功能中，每个功能都有和没有显著干扰影响的蛋白质数量和比例（多个模型的错误发现率校正后P≤0.05）。
图4. 初始土壤和气候特性与扰动生物功能响应的相关性
a，初始特性与扰动后群落功能的抵抗力（左）和恢复力（右）之间的秩相关性。抗性和恢复力分别被量化为干扰（S1）或1个月恢复（S4）后，对照组和治疗组之间宏基因组衍生的功能（蛋白质水平）矩阵的负Bray-Curtis相异性。b，土壤功能测量（酶活性、微生物底物使用、气体通量和土壤C和N浓度）与宏基因组中最精细功能类别（蛋白质）相对丰度的关系。彩色图块显示了这两个距离矩阵之间的等级相关性，星号表示显著性（双尾Mantel检验，nperm=999；***P≤0.001，**P≤0.01，*P≤0.05，·P≤0.1）。
研究意义
研究设置600个模拟极端气候的独立微宇宙实验，为我们理解气候变化如何影响土壤生态系统提供了全新的视角。通过揭示微生物群落的统一响应模式及其局部依赖性，为气候适应性土壤管理奠定了科学基础。
研究创新之处
1、本研究突破土壤类型和生物地理区域限制，模拟极端气候事件对土壤微生物群落及其功能的影响；
2、本研究的发现深化了我们对土壤微生物对极端事件反应的理解，迈出了极端气候事件对土壤功能影响一般预测的第一步。
对我们开展工作启示
研究通过微宇宙模型预测极端气候事件对微生物群落的影响，揭示了极端气候事件对土壤功能的影响。这些发现为极端气候事件对生态系统碳氮循环提供了思考，土壤微生物对极端气候的响应不仅受干扰强度的影响还受局地土壤物理化学性质及气候条件的限制，从而影响生态系统碳氮循环。
文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08185-3
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：赵畅
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏