土壤多营养级分析经典思路：细菌+真菌

摘要

羊肚菌的人工栽培一直是全球研究的热点，了解土壤微生物生态对提高羊肚菌产量和减轻病原菌危害具有重要意义。以往的研究往往聚焦到细菌或真菌单一群落。本研究探究土壤中细菌+真菌多营养级联合分析，更加深入的确定羊肚菌生长与土壤微生物生态之间的潜在生态关系。

研究方案

4种不同类型羊肚菌试验田：森林（3块）、稻田（2块）、温室（3块）和果园（1块）。

采用5点法采集羊肚菌出菇土壤样品，在土壤深度0 ~ 10 cm(表土)和10 ~ 20 cm(底土)各采集5个平行样品。每个土壤样品被分为两部分：一个用于土壤理化测量，另一个用于测序。

扩增子测序：土壤细菌多样性测序，341F-806R，V3-V4区；土壤真菌多样性测序，ITS1F-ITS2R，ITS1区。

研究结果

1、土壤理化性质分析

研究比较了不同试验田类型土壤理化特征的变化，4个田间土壤碱解氮、SOM、TN、pH、纤维素、半纤维素、糖、葡萄糖和果糖均无显著差异(p ＞0.05，Tukey’s HSD检验)。温室中AK、TP、APP、蔗糖和淀粉含量最高，水田和果园次之，林地最低(p ＜0.05)。稻田和果园的TK值相对大于林地和温室。

图1 土壤理化性质的箱形图2、微生物群落多样性（α多样性和β多样性）

通过α多样性，分析不同试验田类型土壤细菌、真菌群落的丰富度和多样性。β多样性分析发现土壤深度对细菌和真菌多样性无显著影响，而试验田类型与土壤细菌和真菌群落呈显著相关，森林土壤和温室土壤的真菌群落差异最大，水稻土壤次之，果园土壤的真菌群落差异最小。

图2 细菌和真菌群落的α多样性和β多样性3、土壤微生物组成及指示物种识别

首先识别分析不同试验田类型的优势细菌和真菌。使用LefSe鉴定不同试验田类型的细菌和真菌类群的指示物种。微生物群落中大多数优势菌门和真菌目与LefSe分析的结果相匹配，可以作为不同羊肚菌培养试验田类型中与微生物群落关系最密切的细菌和真菌的指标。

图3 土壤微生物组成及指示物种识别4、土壤理化性质与壤微生物群落的相关性分析

通过距离依赖性相似性评估土壤理化性质和土壤微生物群落之间的相关性。细菌和真菌群落都表现出显著的环境距离依赖性相似性(p＜0.05)，并且真菌与土壤理化性质的相关性更大。

随机森林分析表明，理化变量对土壤细菌和真菌群落的变化具有较好的预测能力。Mantel分析不同试验田类型土壤细菌和真菌群落的理化指标，发现土壤理化变量可能不是决定羊肚菌不同试验田类型微生物组成动态变化的决定性因素。

图4 基于线性回归(A)和随机森林分析（B）的理化变量与土壤微生物群落的相关性

图5 森林(A)、稻田(B)、温室(C)和果园(D)土壤理化变量与细菌和真菌群落的相关性5、不同试验田类型土壤中细菌、真菌群落构建机制

为了反映物种对环境的适应，研究者计算了微生物的生态位宽度，发现细菌的生境生态位宽度大于真菌(图6A)，说明羊肚菌土壤中真菌群落比细菌群落更敏感。利用零模型分析了细菌和真菌群落的组装机制(图6B)，发现确定性过程的同质性和异质性选择是塑造土壤细菌群落的主要驱动因素，这些结果表明确定性过程促进了细菌和真菌群落的组装。

图6 不同试验田类型土壤细菌和真菌群落构建机制6、细菌和真菌群落的共生模式

研究构建了不同栽培试验田类型的土壤细菌和真菌群落组合的共发生网络。网络中大部分关联与细菌种类相关，仅有5个真菌节点。土壤微生物群落的动态变化与不同试验田类型土壤理化特性的波动有关。

图7 细菌和真菌的共发生网络图7、土壤微生物群落与羊肚菌产量的关系

为了探究微生物群落对羊肚菌产量的影响程度，研究者对土壤微生物群落与羊肚菌产量之间的关系进行了分析(图8)。结果发现羊肚菌产量以水田最高 (图8A)。线性回归分析表明(图8B）:羊肚菌产量与土壤真菌丰富度呈显著负相关，与土壤细菌多样性呈显著正相关。通过结构方程模型(SEM)确定了土壤微生物群落与羊肚菌产量之间的关系 (图8C)。发现试验土壤类型对土壤钾含量有显著影响。由细菌和真菌家族群落组合得到的随机森林回归分析对羊肚菌产量的预测准确度达到48.6% (图8D)，表明细菌和真菌家族群落组合更适合评估羊肚菌产量。

图8 羊肚菌产量(A)及其与土壤微生物群落的关系—基于线性回归分析(B)、结构方程模型(SEM)(C)和随机森林分析(D)研究结论

本研究采用多营养级思路，分析了不同试验田类型土壤的细菌、真菌群落多样性和构建机制。发现真菌群落对理化变量更为敏感。确定过程和随机过程共同塑造了细菌群落，而真菌群落主要受不同试验田类型之间的确定性过程控制。共发生网络图进一步表明土壤微生物动态与土壤理化特征的波动有关。本研究揭示了羊肚菌生长与土壤微生物生态的关系。

参考文献

Dynamics of the soil microbial community associated with Morchella cultivation: diversity, assembly mechanism and yield prediction. Frontiers in Microbiology, 2024

原文链接

DOI 10.3389/fmicb.2024.1345231