Microbial Ecology: 打开黑匣子——了解土壤微生物
Microbial Ecology: 打开黑匣子——了解土壤微生物
Published: 02 February 2022
Link:https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00248-022-01962-5
摘要
分子微生物生态学领域的最新进展为研究土壤生物多样性提供了重要工具。本文的目的是对土壤微生物组的研究工作，特别是自NGS技术出现以来的研究工作进行评价。本文还着重介绍了土壤微生物群落及其相互作用、功能以及在生物地球化学循环中作用等方面的研究进展，同时强调利用宏基因组数据来推断尚未发现的土壤微生物的生态属性。还综述了土壤微生物基础和应用研究的主要研究方向。
这篇综述使我们认识到很难概括土壤微生物在形成土壤网络中发挥的作用，它确实是维持生态系统功能的重要资源。探索土壤微生物组将有助于揭示它们在各种土壤网络中的作用。
背景
收集了2005年至2021年的论文，筛选后得到21745篇研究。进一步筛选最终得到7434项研究。
图1 自2005年第二代测序技术问世以来，土壤微生物组领域发表的科研论文数量
影响土壤微生物的因素
土壤微生物群落的丰富度和多样性与生态系统的功能相协调，其在土壤环境中的组成依赖于土壤的化学和物理性质以及影响它们的人为因素。影响生物栖息的土壤条件范围称为土壤因子，它们是非生物因子的一部分。
土壤微生物群落结构在很大程度上受土壤性质的影响。土壤结构等因素影响了中型动物的发育，因为粘土分子中有大量的微孔，而微孔又阻碍了微生物的捕食活动。同样，不同类型的土壤生物也有其自身适宜的pH，可以观察到土壤pH值与特定土壤微生物组的发育显著相关。随着pH的增加，土壤细菌真菌比和线虫丰度也随之增加。另一方面，原生生物，包括大多数显微镜下的真核生物，仅受pH值的轻微影响。
放线菌门、芽单胞菌门、β和δ-变形菌门、氯弯菌门和硝化菌门等细菌门均与土壤pH值密切相关，并适宜于不同的最优pH值，这些细菌门最终与其他因素一起塑造了土壤中的微生物结构和多样性，如图2所示。对细菌而言，土壤pH值和其他土壤养分浓度等土壤因子促进了土壤养分的可及性，对细菌的分类多样性和组成有很强的调节作用。在解释多样性时，年平均降水量等气候变量似乎比pH值更有优势。随着气候条件的变化，比如二氧化碳浓度升高，菌根真菌的丰度和活性与产孢结构的产生有关，真菌丰度增加。
图2 影响土壤细菌和真菌群落的非生物和生物因子。这里的标度基于Bahram等人2018年(https://doi.org/10.1038/s41586018-0386-6)的一项全球研究，他们研究表层土壤样本[189个地点，7560个亚样本]，以了解细菌和真菌在纬度梯度上的分布和丰度。
缩写:MAT -年平均温度;MAP-年平均降水量;PET-潜在蒸腾;NPP-净初级生产
Bahram M, Hildebrand F, Forslund SK, Anderson JL, SoudzilovskaiaNA, Bodegom PM, Harend H (2018) Structure and function of the global topsoil microbiome. Nature 560(7717):233–237
水分含量影响微生物群落，因为水分对维持微生物群落生存和帮助它们在土壤中运动，以及养分的溶解和气体的扩散十分重要。土壤水分对原生生物群落组成有影响。土壤类型和结构也影响土壤微生物群落组成，土壤结构较轻有利于细菌生长。含有粘土分子和大量微孔的土壤限制了中型动物的生长，保护了微生物不被捕食。土壤碳含量和碳氮比等养分浓度对管理土壤微生物群落的多样性和结构起着关键作用。
土壤微生物群落的功能
表1 土壤微生物功能
土壤微生物组和生物多样性的威胁：
- 外来物种的入侵
- 污染
- 酸雨和富营养化
- 集约化农业
- 气候变化，其中研究较少的有： CO2升高；增温；永久冻土层解冻；干旱
打开土壤微生物黑箱面临的挑战与前景
尽管近些年在阐明分类学多样性方面取得了很大的进展，但在土壤生态学中的应用仍然困难。
首先，许多生物地球化学过程不是单一代谢途径的产物，而是多种相互连接途径的产物，这些途径可以由多种类群进行。
第二，大量的个体基因(如16S和18S rRNA)和休眠微生物的功能基因可能会使将功能过程与特定土壤微生物组联系起来的努力受限。
第三，将特定类群与特定代谢过程联系起来存在方法论上的问题。这些困难包括精确的基因注释，以及转录产物、蛋白质和代谢物的快速转换。
第四，基于序列的方法通常被广泛用于测量土壤中分类单元或功能基因的丰度，提供的信息主要是分类单元或基因的相对丰度，而不是它们的绝对丰度。不同的分类单元、基因及其产物可能与不同的土壤过程有关，为了检验这一点，可以使用不同的方法来检验或量化负责特定功能的给定基因集。而且，即使在分类单元和感兴趣过程之间存在直接的关系，也有必要理解分类单元所处的环境。例如在受控的实验室条件下，确定的甲烷氧化细菌在任何情况下都可能具有不同的底物亲和力。
根据NIBSC在2020年提出的全球接受的土壤微生物组领域标准，通过下一代测序进行肠道微生物组分析，可能会改善方法的开发，提高结果的准确性。并允许在全球范围内同行之间有效地交换成果。
Amos GC, Logan A, Anwar S, Fritzsche M, Mate R, Bleazard T,Rijpkema S (2020) Developing standards for the microbiome field. Microbiome8(1):1–13
鉴定不同土壤微生物组之间的联系及其功能一直是困难的，因为只有一小部分土壤微生物类群可以在实验室中培养。可以通过几种方法解决，如qPCR，扩增子测序，宏基因组学，metabarcoding和宏转录组学。
A. Mishra等人在可培养的土壤微生物分离方面投入了大量的努力。对这些分离株进行基因组测序和鉴定将会容易得多，并将与宏基因组数据相结合，提供更好的见解，以回答相关的生态问题。
Martiny AC (2019) High proportions of bacteria are culturable across major biomes. ISME J 13(8):2125–2128
其次，在复杂的自然环境中设置模拟简化的微生物组实验，并借助“组学”对其进行研究，将更好地理解问题。这可以帮助我们将土壤网络的复杂性降低到更容易理解的水平，并可能帮助我们观察更大范围。结合原始微生物组的宏基因组数据，可以帮助预测各自微生物的功能能力，以及它们在不同生物过程中的作用，最终对生态系统功能的作用。
第三，功能注释技术的发展，在不了解所研究环境中功能剖面的情况下，只能确定分类单元或基因的相对丰度，而不能确定它们的绝对丰度。
基于扩增子的标记基因(16S rDNA、18S rDNA或ITS区域)测序一直受到分类分辨率不足的困扰，因为目前的测序无法对整个基因进行测序。PacBio和sFL16S等新的长读测序技术可以对整个标记基因(如16S rRNA基因)进行测序。这些技术反过来可以从无法培养的环境生物中生成高质量的序列，可以帮助开发数据库。这将最终减少土壤中发现的大量细菌和古细菌类群的分类标记基因序列与参考数据库中发现的序列不匹配的问题。
结论
土壤微生物的性质、组成和复杂性及其与生物和非生物组分的相互作用是未来研究应用的关键。这些应用包括作物改良的土壤分析研究、农业和生态恢复的生态研究以及不同类型土地利用格局的地质研究。利用土壤生物群和微生物群的视角，可能为我们提供解决当前环境问题的创新解决方案。从分类属性和功能属性以及其与生态系统功能的集体网络层面理解土壤生物多样性至关重要。例如，为了检查土壤的不平衡和监测土壤质量，应将土壤生物多样性作为关键指标之一。需要开发更具体、持久、准确的技术和方法来分析土壤微生物组，了解土壤中微生物与物质相互作用。