科研丨中大: 白天和夜间增温对土壤微生物多样性的影响(国人佳作)

导读

全球气温持续上升，夜间增温(NW)和白天增温(DW)对生态系统的影响引起了广泛关注。然而，大多数关于白天和夜间增温对生态系统影响的研究主要集中在地上过程，对于它们如何影响地下过程(特别是土壤微生物)知之甚少。本文研究了白天和夜间实验增温(CK：对照，DW：白天增温，NW：夜间增温，DW+NW：全天增温)对土壤细菌和真菌多样性的影响。结果表明，与CK处理相比，NW(而非DW)处理显著增加了细菌和真菌的ACE多样性指数。DW和NW处理之间的真菌β多样性存在显著差异，而细菌β多样性没有显著差异。本研究表明，NW处理比DW处理创造了更有利的微环境，加速了土壤碳、氮、磷养分的矿化，这可能是微生物多样性变化的原因。该研究为预测全球气候变化对微生物生态系统多样性的影响提供了重要的理论支持和实践指导。

论文ID

原名：Effects of daytime and nighttime warming on soil microbial diversity

译名：白天和夜间增温对土壤微生物多样性的影响

期刊：Geoderma

IF：6.1

发表时间：2024.5

通讯作者：周婷

通讯作者单位：中山大学生命科学学院

DOI号：10.1016/j.geoderma.2024.116909

实验设计

结果

1 土壤和植物的理化性质

在白天增温(DW)、夜间增温(NW)和全天增温(DW+NW)处理下，测量的土壤温度(0.05 m，24 h)平均增加分别为1.14、1.25和1.59℃(图S1)。与对照处理(CK)相比，DW和DW+NW处理显著降低了土壤含水量(SWC) ((P < 0.05，表1)。DW、NW和DW+NW处理显著降低了总碳(TC) (P < 0.05，表1)。NW和DW+NW处理显著(P < 0.05)增加了总氮(TN) (P < 0.05，表1)。与CK处理相比，NW(而非DW)处理显著增加了有效磷(AP)、铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃⁻-N)和微生物生物量氮(MBN) (P < 0.05，表1)。NW处理的AP和NO₃⁻-N含量分别是CK处理的1.94倍和3.11倍(表1)。增温后，DW、NW和DW+NW处理显著增加了牛筋草(Eleusine indica)的TN，但显著降低了牛筋草的总磷(TP)(P < 0.05，表S1)，而NW处理显著降低了狗尾草(Setaria viridis)的TP (表S1)。

2 土壤细菌和真菌组成

经过质量过滤和纯化之后，分别获得了1,950,172条和2,086,699条高质量的细菌和真菌序列，分别占总reads的91%和96%(表S2和表S3)。在门水平上，主要的土壤细菌分类群是变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、Patescobacteria、放线菌门和蓝细菌门，这些类群占所有细菌丰度的75%以上(图2a)；在门水平上，主要的土壤真菌分类群是子囊菌门、担子菌门、球囊菌门和毛霉菌门(图2b)。

基于线性判别分析效应大小(LEfSe)，结果显示白天和夜间增温显著改变了不同水平上的细菌和真菌物种组成(图3)。与白天增温(DW)相比，夜间增温(NW)对不同水平的细菌和真菌物种有更大的影响。DW处理显著增加了f_Gemmatimonadales、g_Lepiota等(图3a和3b)；NW处理显著增加了f_Vicinamibacteraceae、f_Nocardioidaceae、f_Scenedesmaceae、g_Albifimbria、g_Chenopodium等(图3a和3b)；DW+NW 处理显著增加了f_Comamonadaceae、g_Chlorosarcinopsis等(图3a和3b)。

3 土壤细菌和真菌多样性

与对照处理(CK)相比，NW(而非DW)处理显著增加了细菌的α-多样性指数(ACE、Chao1和Shannon 指数)(P< 0.05，图4a)。与CK处理相比，NW处理和DW+NW处理的细菌Chao1多样性分别增加了15.5%和15.3%。同样，与CK处理相比，NW处理和DW+NW处理的细菌Shannon多样性增加了8.5%和6.0% (P< 0.05)(图4a)。与CK处理相比，NW(而非DW)处理显著增加了真菌ACE多样性指数(P< 0.05，图4b)。DW和NW处理的真菌Chao1多样性指数分别比CK处理高13.1%和12.6% (P< 0.05)(图4b)。与DW处理相比，NW处理显著增加了真菌Shannon多样性指数。

主坐标分析(PCoA)用于分析不同处理下土壤微生物群落组成的变化(β-多样性)。结果显示，CK、DW、NW和DW+NW处理的细菌样品之间没有显著分离(图5a)，表明它们的细菌结构高度相似。然而，根据PERMANOVA分析，DW和NW处理之间的真菌β多样性存在显著差异(P < 0.05)(表2)。DW和NW样品在主成分1(PC1)上显著分离(图 5b)，PC1解释了真菌群落变异的23.39%。

表2.基于PERMANOVA检验的组间细菌和真菌β-多样性差异。

4 土壤细菌功能预测

基于 FAPROTAX，共获得了968,658个功能分类。作者选择了前15个预测功能进行分析。绘制了一个条形图，以表示不同增温处理和对照处理下土壤主要细菌功能的相对丰度(图6)。结果表明，对主要土壤细菌功能的预测不受白天增温或夜间增温的影响。NW处理的尿素分解、硝酸盐还原和动物寄生或共生体显著低于DW+NW处理(P < 0.05，图6)。

5 土壤微生物多样性与环境因子的关系

本研究揭示了昼夜增温期间土壤微生物组成与环境因子(包括土壤和植物)之间的关系。根据db-RDA，结果显示总磷(TP)和有效磷 (AP)是驱动细菌组成变化的主要因素(图S2a)，而TP和硝态氮(NO₃⁻-N)是驱动真菌组成变化的主要因素(图S2b)。

结构方程模型(SEM)分析结果显示，昼夜增温期间，土壤温度(T_S)的增加通过改变AP、牛筋草总磷(TP)、pH、总氮(TN)、溶解性有机碳(DOC)和微生物生物量氮(MBN)间接影响了细菌和真菌的α多样性(由细菌Shannon多样性(R² = 0.628)和真菌Shannon 多样性(R² = 0.713)反映)(图7)。在昼夜增温期间，AP和TN是影响细菌Shannon多样性的主要因素(标准化直接效应分别为0.592和0.395；图7)；真菌Shannon多样性与T_S(标准化直接效应= -0.298；图7)和MBN显著负相关(标准化直接效应= -0.541；图7)，与DOC显著正相关(标准化直接效应= 0.820；图7)。

讨论

生物多样性的保护及其对环境变化的响应是重大生态和社会问题。许多研究探讨了每日增温对微生物多样性的影响。研究表明，增温改变了细菌群落的β多样性。一项荟萃分析显示，增温增加了微生物Shannon多样性指数和丰富度。本研究表明，微生物(细菌和真菌)的多样性对白天增温(DW)和夜间增温(NW)的反应不同。与对照处理(CK)相比，NW(而非DW)显著提高了细菌ACE、Chao1和Shannon多样性指数以及真菌ACE多样性指数(P<0.05)。NW处理的Shannon多样性指数显著高于DW处理的Shannon多样性指数。这一发现与本研究的假设一致。作者推测，这种差异归因于DW和NW处理对土壤微环境和可用养分的不同影响。首先，DW和NW处理下的土壤微环境(TS和SWC)不同。在大多数气候条件下，白天的土壤温度(T_S)通常高于夜间，而最低温度(T_min)通常在夜间出现。当夜间土壤温度上升(NW)时，这可能导致微生物生长加速，从而有助于增加其多样性。由于阳光照射，DW处理的蒸散量大于NW处理。因此，与CK处理相比，DW处理的SWC显著降低，但NW处理的SWC无显著变化。DW处理主要导致白天土壤干燥，DW处理期间SWC消耗的增加可能导致碳基质的快速消耗和微生物活性的抑制。其次，NW处理加速了土壤有机碳、有机氮和有机磷的矿化，显著增加了土壤的有效养分和微生物生物量，这可能导致NW处理下细菌和真菌多样性增加。结构方程模型(SEM)支持本研究的假设，结果表明，有效磷(AP)和总氮(TN)是影响细菌Shannon多样性变化的主要因素；T_S、溶解性有机碳(DOC)和微生物生物量氮(MBN)是影响真菌Shannon多样性变化的主要因素。此外，作者还得出植物叶片营养可能间接影响细菌和真菌多样性的结论。从地上植物的化学计量特征(碳、氮、磷及其比值)中得到了磷限值。磷是能量储存和细胞结构的重要组成部分，参与光合作用中的磷酸化和碳同化作用。NW处理后，这一区域的磷限制加剧，牛筋草TP通过AP间接影响细菌(标准化间接效应值=-0.199)和真菌(标准化间接效应值=-0.199)的Shannon多样性。SEM解释了细菌Shannon多样性变化的62.8%和真菌Shannon多样性变化的71.3%。总之，土壤有效养分和微生物生物量的变化可能是导致白天和夜间增温期间细菌和真菌多样性变化的主要因素。

此外，本研究发现DW+NW处理对细菌和真菌的影响并不是DW和NW处理的简单叠加关系。几项在西藏的研究也得出了类似的关于真菌多样性的结论。这表明微生物对白天和夜间增温的反应比之前认为的要复杂得多。DW+NW处理对细菌Chao1和Shannon多样性的影响与NW处理更相似，而DW+NW处理对真菌Shannon多样性的影响与DW处理更相似。

白天和夜间增温显著改变了真菌β多样性，但对细菌β多样性没有显著影响(图5；表2)，这表明真菌比细菌更容易受到白天和夜间增温的影响。这可以通过以下几个因素来解释。首先，大多数真菌的碳同化效率和代谢能力比细菌高，真菌比细菌更容易受到增温的影响。其次，真菌比细菌更容易受土壤水分的影响。土壤中的真菌是重要的有机物分解者。DW处理导致的土壤水分减少会显著抑制真菌的生长和活性，从而对真菌多样性产生更大的抑制作用。第三，在应对气候变暖时，土壤细菌和真菌在群落组装过程和共现网络的变化上存在差异。增温显著增加了细菌的扩散限制和平均路径长度，而对真菌的扩散限制和平均路径长度没有显著影响。此外，土壤真菌和细菌群落与植物群落之间的密切关系导致气候变暖通过影响植物群落间接影响土壤微生物，使土壤细菌和真菌对气候变暖的响应过程进一步复杂化。

尽管本研究的昼夜增温实验持续了9个月，夜间增温对可用养分和α多样性的响应产生了显著影响。真菌β-多样性在DW和NW处理之间存在显著差异。细菌和真菌群落的α多样性或β多样性对实验增温的响应在不同年份间有所不同。研究表明，这种差异主要是因为气候变暖对控制土壤微生物群落周转的生态过程的影响在不同年份间存在差异。一方面，植物作为生态系统中不可或缺的重要组成部分，其多样性和群落组成在不同年份间有显著变化。研究表明，地上净初级生产力群落、物种丰富度、Shannon指数、Simpson指数、Pielou指数、系统发育多样性、平均最近分类单元距离、物种组成和系统发育组成存在显著的年际变化，这些年际变化比植物对增温的响应更显著。植物的年际变化深刻影响着土壤微生物群落的多样性和结构，是土壤微生物年际变化的重要驱动因素。另一方面，不同年份的温度和降水量也不同，因此水分可利用性和土壤温度的差异是影响细菌和真菌群落的变量。此外，不同持续时间对土壤养分和pH的影响也可能影响细菌和真菌群落的β多样性。微生物对DW和NW处理的年际响应不仅有助于我们更深入地了解微生物在生态系统中的作用，还为评估气候变化对生态系统的影响提供了重要线索。因此，进一步探索微生物多样性对DW和NW处理的年际响应尤为重要。

结论

本研究从分子生物学的角度研究了白天和夜间增温条件下的土壤微生物群落多样性(图8)。结果显示，与对照处理(CK)相比，夜间增温(NW)处理显著增加了细菌ACE、Chao1、Shannon多样性和真菌ACE多样性。NW处理可能比DW处理更能刺激微生物多样性，使微生物更具恢复力和抗干扰能力。真菌β多样性比细菌更容易受到白天和夜间增温的影响。本研究的结果为了解真实全球变暖条件下的微生物多样性和微生物相互作用提供参考。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706124001381