【文献速递】确定性和随机过程在构建陆地生态系统土壤细菌生态型中的不同作用

看不见的线
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2025-08-01 10:57:34
原创

文章题目：Differential roles of deterministic and stochastic processes in structuring soil bacterial ecotypes across terrestrial ecosystems

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57526-x

发表时间：2025-03-08

期刊：Nature Communications

影响因子：14.7

一、研究背景

土壤细菌对生态系统韧性和功能至关重要，但其多样性与分布机制（尤其不同生态型在生态系统间的差异）尚不明确。研究旨在揭示全美尺度下土壤细菌的生物地理格局，探究确定性（环境选择）和随机性过程（扩散限制、生态漂变）如何驱动不同生态型（丰富类群、稀有类群、广适种、特化种）和六大陆地生态系统（森林、灌丛、草本、湿地、草原、裸地）的群落构建。

二、技术路线

采样与数据收集

样本：全美622个土壤样本（涵盖6大生态系统，以森林为主）。

测序：16S rRNA V4区测序（OTU聚类，97%相似度），过滤低丰度/低频OTU。

环境变量：34个因子（土壤性质、气候、地理位置、周边土地利用）。

生态型定义

丰富/稀有类群：基于OTU平均相对丰度（>0.1%为丰富类群，<0.002%为稀有类群）。

广适种/特化种：基于生态位宽度（通过零模型检验，显著宽/窄于随机预期）。

分析方法

多样性分析：α多样性（Shannon指数）、β多样性（加权UniFrac距离）。

环境关联：Spearman相关性、变异分配分析（VPA）、机器学习（梯度提升回归，SHAP解释）。

网络分析：SpiecEasi构建共现网络，计算节点中心性（度、介数、紧密度）。

群落构建机制：βNTI（β-最近分类单元指数）和RC_bray指数量化确定性（同质/异质选择）与随机性过程（扩散限制、漂变）的相对贡献。

三、主要研究结果

土壤细菌多样性和组成在生态型和生态系统之间存在显著差异，部分由一些普遍的非生物因素（例如，土壤 pH值、钙和铝）和几个生态型或生态系统特定的生态驱动因素决定。共现网络分析表明，稀有类群比丰富的类群具有更强的生态相关性。生态模型显示，确定性过程塑造了丰富的分类群和多面手的组装，而随机过程在稀有分类群和专家中发挥了更大的作用。此外，灌木丛生态系统中的细菌群落似乎比其他生态系统对环境变化更敏感，多样性最低、群落网络联系最少以及周围土地利用驱动的最强当地环境选择证明了这一点。总体而言，本研究揭示了全国陆地生态系统中细菌生物地理学的生态机制，并强调了在环境干扰中保护稀有生物圈和灌木丛生态系统的必要性。

关键发现包括：1）稀有类群通过高网络中心性展现核心生态功能，而丰富类群和泛化种更易受环境扰动；2）pH、钙（正相关）、铝（负相关）为普适性多样性预测因子，机器学习模型验证其重要性（R²=0.46）；3）灌木生态系统因土地利用驱动的强环境选择呈现最低多样性、最弱网络连接及最高距离衰减效应（ρ=0.47），需优先保护。研究强调土壤属性主导群落构建，提出需关注稀有生物圈保育及钙/铝的生态指示价值，为生态系统管理提供理论依据。

该研究核心科学问题聚焦于解析多尺度（生态型-生态系统）下确定性与随机过程的互作机制，及其如何影响土壤微生物介导的生态系统功能响应环境扰动的恢复力，为预测全球变化下土壤微生物地理格局演变提供理论框架。

图 1美国各地细菌群落的多样性和组成因陆地生态系统和生态型而异。a使用 16S rRNA基因序列和1000 bootstraps构建的 3158个 OTU的最大似然系统发育树。树以中点为根，分支由每个 OTU代表的门进行颜色编码。外部注释表示 OTU的相对丰度。b山脊图显示了 Shannon-Wiener多样性指数在生态系统之间进行比较所表示的细菌多样性，按中位数排序。Kruskal-Wallis（KW） P < 0.05表示差异显著。c美国土壤细菌多样性分布。圆圈由生态系统进行颜色编码，圆圈大小与 Shannon-Wiener多样性指数成正比。d气泡图显示了生态系统之间门的平均相对丰度显著差异（adjusted KW P < 0.05）。每个门的平均相对丰度被标准化以增强生态系统的比较，因此圆圈大小并不能反映真实值。e每种生态型的门组成富集分析。圆圈大小表示代表给定生态型的门的 OTU数量。富集指数> 2和 < -2的门分别表示每个生态型中显著的代表性过高和代表性不足。

图 2土壤细菌α多样性是由非生物环境因素塑造的。a环境变量与所有分类群、每种生态型和每个生态系统内的α多样性之间的 Spearman秩相关性。PIMP：不透水百分比。正相关和负相关在上方的热图中分别用紫色和橙色表示，在底部热图中分别用绿色和黄色表示。、 ***、 **、 *和 ns表示调整后的双侧 P <分别为 0.0001、0.001、0.01、0.05和不显著。b细菌α多样性的前十个最具预测性的环境变量（基于 SHAP;X轴），按重要性降序排序。c变异分区分析（VPA）的维恩图显示了由环境因素解释的每种生态型和每个生态系统内的α多样性的变化。残差表示无法解释的变化。d所有分类群、生态型和生态系统的距离衰减关系。细菌组成差异由加权 UniFrac距离表示。ρ 和 P分别是 Spearman 的秩相关系数和 P值，彩色线条和阴影区域分别描绘了线性回归的最佳拟合趋势线和 95%置信区间（平均值± 1.96 s.e.m.）。

图 3土壤细菌共生网络特性因生态型和陆地生态系统而异。a使用所有 OTU和正负边缘权重的比例构建的共现网络。节点由 phyla进行颜色编码。正边缘和负边缘分别以橙色和灰色显示。b（a）中所示网络中节点度、接近度和中介中心性最高的前十个门，按降序排序。误差线表示 95%置信区间（平均值± 1.96 s.e.m.）。c不同生态型之间网络的节点度、中介度和接近度中心性比较。按生态型进行颜色编码的网络可以在补充图 1中找到。8a-b. N = 201、870、156和 159分别用于丰富分类群、稀有分类群、通才和专家。d每个生态系统网络的正负边缘权重的比例。每个生态系统的网络如补充图所示。湿地、贫瘠、森林/林地、草原/稀树草原、草本和灌木丛生态系统的 9a-f. N = 1189、1161、1067、1058、1043和 914。e生态系统之间网络的节点度、中介度和接近度中心性比较，按升序排序。箱形图显示四分位距（IQR），其中代表中位数和胡须的线延伸到 IQR的 1.5倍，Kruskal-Wallis P < 0.05表示组间差异显著，****、***、**、*和 ns表示调整后的双侧 Mann-Whitney U P < 0.0001、0.001、0.01、0.05，在（c）和（e）中分别不显著。

图 4确定性和随机过程在跨生态型和陆地生态系统的细菌群落组装中起着不同的作用。a-c量化生态过程对（a）所有分类群、（b）生态型和（c）生态系统的群落组合的重要性。确定性过程包括异质选择和同质选择。随机过程包括分散限制、均质分散和漂移。d环境变量和生态过程之间的修正 Mantel相关性。灰色虚线表示调整后的双侧 P < 0.05（log）。

四、参考文献

Riddley M, Hepp S, Hardeep F, Nayak A, Liu M, Xing X, Zhang H, Liao J. Differential roles of deterministic and stochastic processes in structuring soil bacterial ecotypes across terrestrial ecosystems. Nat Commun. 2025 Mar 8;16(1):2337. doi: 10.1038/s41467-025-57526-x. PMID: 40057505; PMCID: PMC11890569.