ISME关键菌群的生物多样性决定了40年施肥管理下的作物产量

　　写在前面
　　不积跬步无以至千里
　　原文标题：Biopersity of key-stone phylotypes determines cropproduction in a 4-decade fertilization experiment
　　参考译文：关键菌群的生物多样性决定了40年施肥管理下的作物产量
　　DOI:10.1038/s41396-020-00796-8
　　文章切入点：35年的长期施肥试验平台，研究土壤生物多样性尤其关键微生物菌群的多样性对土壤功能潜力和小麦产量的影响。
　　01  Abstract
　　Cropping systems have fertilized soils fordecades with undetermined consequences for the productivity and functioning ofterrestrial ecosystems. One of the critical unknowns is the role of soilbiopersity in controlling crop production after decades of fertilization.This knowledge gap limits our capacity to assess how changes in soilbiopersity could alter crop production and soil health in changingenvironments. Here, we used multitrophic ecological networks to investigate theimportance of soil biopersity, in particular, the biopersity of key-stonetaxa in controlling soil functioning and wheat production in a 35-year fieldfertilization experiment. We found strong and positive associations betweensoil functional genes, crop production and the biopersity of key-stonephylotypes; soils supporting a larger number of key-stone nematode, bacteriaand fungi phylotypes yielded the highest wheat production. These key-stonephylotypes were also positively associated with plant growth (phototrophicbacteria, nitrogen fixers) and multiple functional genes related to nutrientcycling. The retrieved information on the genomes clustered with key-stonebacterial phylotypes indicated that the key-stone taxa had higher gene copiesof oxidoreductases (participating most biogeochemical cycles of ecosystems andlinking to microbial energetics) and 71 essential functional genes associated withcarbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur cycling. Altogether, our workhighlights the fundamental role of the biopersity of key-stone phylotypes inmaintaining soil functioning and crop production after several decades offertilization, and provides a list of key-stone phylotypes linking to cropproduction and soil nutrient cycling, which could give science-based guidancefor sustainable food production.
　　02  参考译文
　　几十年施肥管理下的作物种植体系对陆地生态系统的生产力和功能潜力产生了不确定的影响。其中，长期施肥背景下土壤生物多样性在调控作物产量方面的机制尚未清楚，这也限制了我们在全球变化背景下通过土壤生物多样性的变化来评估作物生产和土壤健康。本研究中，作者将多营养级生态网络和土壤微食物网理论相结合，借助35年长期施肥试验平台，研究土壤生物多样性尤其关键微生物菌群的多样性对土壤功能潜力和小麦产量的影响。结果表明，关键微生物菌群的多样性与土壤功能基因和作物产量之间呈正相关关系，并且部分关键微生物菌群与作物生长息息相关（固氮菌、光合菌等），并与大部分参与养分循环的功能基因丰度呈正相关。同时，与其他微生物集群相比，关键微生物菌群具有更多参与氧化还原反应和碳、氮、磷、硫元素循环的功能基因。该研究揭示了长期施肥背景下关键微生物菌群多样性在维持土壤功能和作物产量方面的重要作用，并且找出了与作物产量和土壤养分循环密切相关的多营养级微生物集群，为粮食生产的可持续性发展提供科学指导。
　　03  前言观点及假设
　　研究重要性：
　　1、土壤生物多样性对作物生产和土壤健康的贡献不清楚，特别是在几十年的营养施肥之后；
　　2、提高我们对土壤生物多样性在控制农田土壤过程和植物生产力方面的作用和重要性的了解，对于了解随着全球变化下的土壤生物多样性变化能否改变作物生产，以及应对人口增加的能力不可或缺；
　　3、生态网络提供了关于数千种土壤生物之间潜在关联的关键信息，并可用于识别与最高水平的土壤功能和作物产量相关的土壤关键系统类型，但人们对关键系统类型的生物多样性如何有助于维持农业生态系统中的土壤过程和作物生产知之甚少。我们仍然缺乏与农业生态系统的功能和生产力高度相关的微生物关键系统类型清单。同样，我们也缺乏关于与这些土壤系统性相关的重要功能基因及其与植物生产力相关的信息；
　　4、土壤生物多样性不仅在提供氮和磷等现有营养物质方面发挥基本作用，而且在控制有机物质分解、病原体控制、微量营养物质和植物生长激素的释放方面发挥基本作用。
　　文章假设：
　　土壤生物多样性，特别是关键石类群的生物多样性，仍然是经过40年施肥后植物和土壤功能的基本驱动因素，因此值得（对土壤生物多样性）加以保护。
　　04  实验设计
　　实验设计：5个处理，4个重复
　　图1、实验设计
　　测定指标： pH、水分、TC、TN、TP、TK、DOC、NO3−-N、NH4+-N、DON、AP、AK；
　　微生物指标：
　　Bacterial 16S rRNA（引物：515F (5′GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)/907R (5′-CCGTCAATTCCTTTGAGTTT-3′)）；
　　根际真菌 ITS1（引物：ITS1F (5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′)/2043R (5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)和AMV4.5NF (5′-AAGCTCGTAGTTGAATTTCG-3′)/AMDGR (5′-CCCAACTATCCCTATTAATCAT-3′)）；
　　Nematode 18S（引物：NF-1(GGTGGTGCATGGCCGTTCTTAGTT)/18Sr2b (TACAAAGGGCAGGGACGTAAT)）。
　　05  分析方法
　　方差分析、NMDS分析、置换多元分析（Permutational multivariate analysis, ADONIS）、相关分析、线性回归、SEM.
　　06  图表构成
　　图2、不同处理细菌、真菌、淀粉、线虫群落的非度量多维尺度分析。
　　图3、基于多营养网络的生态集群。(A)四个主要微生物生态集群的网络图(Module #0-3); (B)不同微生物生态集群中优势菌群的OTU比例; (C) 和(D) 关键微生物菌群生物多样性与土壤功能潜力、小麦作物产量之间的线性回归分析。
　　其实，在作者的补充文件里，还有其它Modue与土壤功能潜力、小麦作物产量的回归图，如下：
　　Fig. 4. 同上；注：仅节选一半
　　对图2的结果阐述是：我们使用生态网络来确定微生物类群群之间的高度相关性，因此，有可能共享环境偏好和功能潜力。我们从多营养网络（图1a，b）中发现了四个主要的生态集群（Module #0–3）。在这些模块中，我们发现属于Module #0的细菌、真菌、AMF和线虫系统类型的丰富度与土壤功能基因丰富度显著正相关，更重要的是，与40年施肥后的作物产量水平显著正相关（图1c和补充图S7）。换言之，我们在系统类型更多的Module #0土壤中发现了更高的作物产量和更丰富的促进植物生长的微生物功能基因。鉴于该模块的功能重要性，我们在下文中将Module #0称为关键的生态集群。关键的生态集群主要由细菌（e.g.,Acidobacteria; Alphaproteobacteria: Phenylobacterium, Bradyrhizobium;Betaproteobacteria: Burkholderia and Janthinobacterium; Chloroflexi) and fungi (Sordariomycetes:Lecythophora）和真菌（Sordariomycetes:Lecythophora）控制，并包含许多促进植物生长的系统类型。
　　Fig.5 不同微生物生态集群中(Module #0-2)的优势菌群（相对丰度>0.05）。(A)不同微生物生态集群中优势菌群之间的相关性；(B)功能基因丰度与不同生态集群中优势菌群相对丰度的Spearman相关(z-score)。
　　这幅图A：一个连线表一个高（皮尔森系数r>0.8）且显著的（P<0.001）相关性，蓝线正相关，红线负相关；数值代表不同类型的菌类。其实这幅图作者主要想表达每个Module中优势菌群之间的关系，看连下的颜色即可，至于其它描述，交给作者或自己分析时，交给自己即可，哈哈。
　　图6 不同微生物生态集群中优势菌群的系统发育特性和单基因组基因拷贝数。(A)不同生态集群中(Module#0-2)优势菌群与47个全基因组(16S rRNA片段与优势菌群序列的相似性大于97%)的系统发育树，三种颜色对应Module #0-2；(B) 与碳、氮、磷、硫循环和氧化还原酶基因相关的71个基因的标准化的基因组基因拷贝数。
　　这幅图A最外圈是每个OTU的相对丰度，中间是按相似度来绘制的关键类群发育树。
　　图7 影响作物产量的生物与非生物因素  的结构方程模型（SEM）。不同施肥的直接和间接影响、根际效应、土壤变量[土壤pH、总碳（TC）、总氮（TN）、总磷（TP）]，总细菌、真菌、AMF、线虫的多样性、关键生态集群的生物多样性、土壤功能潜力[与碳、氮、磷和硫循环相关的71个功能基因的标准化丰度（z-score）]对作物生产的影响。箭头宽度与关系的强度成正比。实线：正相关；虚线：负相关。
　　这个图左边上下两个图的影响关系几乎一样，但是个别箭头上的影响值具有差异，这主要是右边的影响关系假设部分不同引起的，特别是pH值与微生物的影响关系，不同处理与理化性质间的影响关系，模型搭建的不同，使得最终的结果-R2值不同。这图的结果是：发现关键微生物菌群的生物多样性直接并正向驱动作物产量和土壤功能潜力，表明关键微生物菌群的生物多样性对维持土壤功能潜力和作物产量具有重要作用。同时，总体微生物多样性对作物产量和土壤功能潜力的驱动作用减弱，其中，总体真菌多样性和丛枝菌根真菌多样性对作物产量具有负效应  。
　　图8 键微生物菌群多样性、功能基因丰度、作物产量之间的生态关系。
　　这幅图应该按列方向看，第一列代表3种菌的多样性与基因丰度的关系；第二列代表3种菌的多样性与产量的关系；第三列代表3种基因丰度与产量的关系；需要说明的是，作者在补充材料里面也做了其它菌种多样性与产量的关系，但相关性没有这几个显著，所以没有放入正文中。
　　07  思路总结
　　本文通过构建不同处理-测菌群-搭建菌群网络-作关键菌群与作物产量回归-作不同处理下理化性质和功能潜力变化对作物产量影响（SEM）-再作基因丰度/关键群与作物的回归-得出土壤生物多样性尤其关键微生物菌群的多样性对土壤功能潜力和小麦产量的影响。