科研 | 美国亚利桑那大学（IF：6.528）：植物多样性的恢复是否会引发旱地生态系统中伴随的土壤微生物组变化？

旱地占陆地面积的41%，是38%以上人口的家园，由于荒漠化和预计的人口增长，旱地面积可能还会增加。全球10%-20%的旱地已被定义为退化旱地，联合国宣布恢复退化旱地是未来几十年支持人类生活的首要任务。尽管付出时间和经济的高昂代价，但旱地恢复的成功率仍然很低。高温、稀缺且多变的降水状况、低植被覆盖率和低土壤养分有效性导致这种生态系统变得脆弱和并且其恢复较慢。

旱地植被覆盖率低意味着土壤微生物群落在生态恢复中可能发挥了关键作用，因为微生物通常提供了植被较多生态系统中的植物所提供的生态系统功能。微生物通过促进水分渗透和保持、土壤聚集和稳定，以及植物养分的有效性来改变土壤结构。例如，在旱地，由土壤蓝藻产生的胞外多糖充当粘合剂，将细颗粒粘合成稳定的团聚体；土壤真菌通过菌丝网络在植物和生物土壤结皮之间储存和转移养分；促进植物生长的根瘤菌可以减少干旱胁迫，有利于植物养分的获取。

虽然土壤微生物和植物密不可分，研究者和恢复实践者很少在设计和部署管理策略中考虑土壤健康的生物指标，比如假设地上恢复可以触发伴随的土壤微生物群落变化。这一假设的前提是， 微生物群落通常对环境条件的变化做出快速反应，并与植物覆盖和组成的变化紧密耦合，包括恢复策略造成的变化。 例如，最近的一项全球荟萃分析显示，随着植物多样性的增加，微生物生物量和呼吸作用增加，并对植物单一栽培和混合栽培进行了对比观察。一般来说，植物多样性和土壤微生物群落通过无数植物功能性状间接联系在一起，尤其是那些决定进入土壤的资源质量和数量的性状。例如，植物多样性和土壤微生物群落之间的关系可能是由根系分泌物的多样性和组成介导的。具体而言，植物性状的群落加权平均数（CWM）有力地解释了景观尺度上土壤微生物群落的变化。然而，最近的一项研究表明，非定向性微生物群落恢复（例如移除不需要的植物）在实现恢复目标方面不如目标微生物群落恢复（例如移除表土）有效，或者甚至缺乏必要的土壤微生物可能阻止成功的植物建立。此外，其他研究试图预测土壤微生物多样性和组成作为植物物种组成和植物功能特征的函数，但没有成功。

从生物地球化学角度来看，资源循环和植物吸收之间的脱钩（即当植物需要土壤养分进行积极生长时，土壤养分不足）是旱地恢复低成功率的一个新解释。 降水事件和营养脉冲之间的时滞性限制了植物的可用资源，从而阻碍了植物的建立。考虑到土壤微生物在旱地土壤功能中的核心作用，引入植物和当地土壤微生物之间养分循环的脱钩也可能影响植被重建的结果。据推测，引入的植物将受到这种脱钩的影响，直到土壤微生物组的伴随变化完成。能够快速改变微生物群落的植物（例如，在2年内改变了微生物群落组成）在早期建立中获得优势。相反，晚演替植物的重新引入常常失败，除非接种某些微生物共生体。因此，如果在土壤微生物群落的伴随变化完成之前，引入植物没有很好地建立起来，则应考虑有针对性的微生物群落恢复，以改善再植被的结果。

目前，很难确定导致旱地生态系统土壤健康程度退化的微生物群落模式，因此不可能制定可行的基于微生物的恢复策略，以增强土壤健康和植物生长。在这项研究中，在植被恢复第一年后从美国西南部的8个旱地恢复地点收集了土壤样本（图1；表1），并使用16S rRNA（细菌和古细菌）及ITS（真菌）扩增子测序评估了土壤微生物群落。每个地点都进行了单作（约10个单株种植地块）和混作（约10个多株种植地块）育苗。我们假设 （a）与单作地块相比，混作处理将促进更高的土壤微生物群落丰富度和Shannon多样性；（b）单作区土壤的微生物群落组成与混作区不同；（c）微生物功能群，尤其是与植物养分有效性（如硝化菌、分解菌）和植物共生（如固氮菌、菌根真菌）或拮抗（如植物病原体）关系有关的微生物功能群，在混作处理中会更加丰富。 如果我们的假设得到支持，无论地点差异如何，这项研究都可以支持这样的结论，即在旱地，植被恢复后植物多样性的提高具有积极的伴随微生物群效应。然而，如果假设通常不受支持，或视现场情况而定，本研究也证明有必要开发专门针对土壤微生物群的旱地恢复管理措施。

  图1 RestoreNet的研究点位图。底图显示了从国家森林气候变化图（https://www. fs. fed. us/rm/boise/AWAE/projects/NFS-regional-climate-change-maps/categories/us-raster-layers. html）反演的1975-2005年的年平均气温（℃）和年平均降水量（mm）。（A）每个RestoreNet点位的实验设计。绿色代表单作样点，多色代表多作样点，黑色代表对照样点。（B）每个样点内的植物分布。每2 m*2 m的样地种植36株幼苗。在多栽培样点从物种库中随机选择4种植物，单栽培样点只种植1种植物。白点表示每个地块的采样位置（C）。

表1 RestoreNet研究地点的土壤特征。生态区从美国环保局生态区第4层检索。在0-5 cm深度对土壤质地上采取现场取样评估。土壤有机质测定也在深度0-5厘米。按照3种筛分方法（2 mm-250 μm、250 μm-53 μm、<53 μm）进行平均值和标准差的计算。在2020年生长季末通过植物根模拟（PRS®）探针对土壤养分（总氮和总磷）进行埋藏时间为15周的测定。利用每个站点内的所有样点计算平均和标准偏差。

16S和ITS的扩增子序列数量分别为23514个和8367个。16S和ITS的平均丰富度分别为993 （sd = 181）和193 （sd = 68），分别抽平至20000和4000条序列。在门水平上，土壤细菌和古菌群落以放线菌 Actinobacteria （ 35.2%）、变形菌 Proteobacteria （27.7%）、拟杆菌纲 Bacteroidetes   （ 9.2% ） 、酸杆菌 Acidobacteria （5.9%）、绿弯菌 Chloroflexi （ 5.7%）和芽单胞菌 Gemmatimonadetes （4.6%）为主。真菌群落以子囊菌门 Ascomycota （ 77.5%）、担子菌门 Basidiomycota （19.5%）和被孢菌门 Mortierellomycota （2.88%）为主。

原核植物（16S）丰富度与真菌（ITS）丰富度无相关性（Pearson r  = 0.050, P  = 0.519；图2）。植物性状CWMs与原核丰富度和真菌丰富度的相关性不显著（ r  >0.3）和显著（ P  < 0.05）。土壤微生物丰度在单培和复培处理间无显著差异（线性混合效应: 16S处理 P  = 0.063，ITS处理 P  = 0.210;图2）。 在单培或多培处理间微生物丰富度的变异只解释了微不足道的一小部分 （16S的临界R ²  = 0.017，ITS的临界R ²  = 0.007），样点（如随机效应）解释了观察到的一个更大的部分差异丰富（16S的条件R ²  = 0.218，ITS的条件R ²  = 0.313）。 Shannon多样性也呈现相同的格局 （线性混合效应: 16S的 P  = 0.110，临界R ²  = 0.011, 临界R ²  = 0.330；ITS的 P  = 0.644，临界R ²  = 0.001，条件R ²  = 0.329；图S2）。

图2 土壤原核微生物（细菌和古菌）（A）和真菌（B）群落丰富度（不同扩增子序列变异数，ASVs）。序列数分别抽平至20000和4000条。

原核生物和真菌群落相似性模式相关（偏差校正距离相关： r =0.653 ， P <0.001；图3）。整体植物CWM性状相似性与原核生物（ r =-0.005 ， P =0.659）或真菌群落相似性模式（ r =-0.010 ， P =0.784）均不相关。样地解释了土壤微生物群落组成的大部分差异（PERMANOVA：R ² =0.654，16S P <0.001，R ² =0.438，ITS P <0.001；图3）。土壤真菌的这种样地效应不太明显，样地间重叠更多，尤其是AZ和UT（图3B）。 单一培养或混合培养处理（样地内）的总体微生物组成没有显著差异 （PERMANOVA: R ² =0.022和 P =0.062，16S: R ² =0.037和 P =0.094，ITS；图3）。

图3 土壤原核（细菌和古菌）（A）和真菌（B）群落的非度量多维尺度（NMDS）排序。细菌和古菌的Stress值=0.135；真菌的Stress值=0.195。在排序之前使用Bray-Curtis距离度量。多边形包含来自同一地点的所有排序点。

在分析了整个原核生物和真菌群落后，我们进一步测试了单一培养和混合培养处理对所推断的功能群的影响。对于处理（即固定）变量（负二项式广义混合效应模型结果：FDR校正后 P <0.05，临界R ² >0.05），没有任何单个函数显示出显著性和解释度。然而，如实质条件R ² （固定和随机效应；图4A）所示，不同地点之间存在一些显著差异（随机效应）。例如，丛枝菌根真菌（主要是 Claroideoglomus 属、 Dominikia 属、管柄囊霉属、球囊霉属和根内球囊霉属）几乎只在MW中检测到（临界R ² =0.004，条件R ² =0.604；图4B），而真菌植物病原菌（包括来自球腔菌属、小球腔菌属属、弯孢霉属、 Thyrostroma 属、 Clarireedia 属、 Monosporascus 属、双毛壳孢菌属、亡革菌属、 Laetisaria 属和黑粉菌属的其他成员）在MW、BT和AZ中更为丰富（临界R ² =0.001，条件R ² =0.315；图4C）。对于所推测的功能，纤维素分解细菌（放线菌的白蚁菌属的；拟杆菌的噬胞菌属、生孢噬孢菌属和 Dyadobacter 属，以及δ变形菌的堆囊菌属在PF位点更丰富（临界R ² =0.011，条件R ² =0.518；图4D），而AZ和UT位点有更多的固氮菌（念珠菌属、 Azospirillium 属、贝氏固氮菌属、 Bradyrrhizobium 属和草螺菌属的成员）（临界R ² =0.024，条件R ² =0.620；图4E）。

图4 不同地点微生物功能群的标准化平均相对丰度（圆大小反映标准得分）（A）。推断出的丛枝菌根真菌的比例（B）；真菌植物病原体（C）；纤维素降解菌（D）和固氮菌（E）。