南京土壤研究所张佳宝院士团队在Global Change Biology发文揭示了土壤生物群落组装调控土壤微生物功能潜力的两种机制，题为Community assembly of organisms regulates soil microbial functional potential through dual mechanisms.
摘要
揭示群落构建过程对土壤生态系统功能的影响受到的关注有限，成为理论生态学领域的一个重大挑战。本研究实施了一系列跨25年的长期实验，通过高通量测序来探索细菌、真菌、原生生物和线虫群落的组装过程。我们利用基于基因芯片的功能基因图谱，通过与碳、氮、磷和硫循环相关的微生物基因的丰度来表征土壤微生物功能潜力，并确定了生物群体的组装过程如何通过群落多样性和网络稳定性来调节土壤微生物功能潜力。本研究的结果表明，与缺磷施肥处理(NK)相比，平衡施肥处理(NPK) 改善了细菌、真菌和原生生物群落的随机组装，而线虫群落的标准化随机比率没有显著增加。我们的研究结果强调了土壤环境因子影响生物群落的组装过程，通过双重机制调节土壤微生物功能潜力。一种机制表明，高磷水平和低土壤养分化学计量比可能会增加NPK处理下细菌、真菌和原生生物群落的随机性和线虫群落的确定性，最终通过增强生物群落的网络稳定性来增强土壤微生物功能潜力。另一种机制表明，低磷水平和高土壤养分化学计量比可能会增加NK处理下细菌群落的随机过程和真菌、原生生物和线虫群落的确定性，从而通过提高生物群落的β-多样性来增强土壤微生物功能潜力。总之，这些结果为生物群落的组装过程如何调节生态系统功能提供了有价值的见解。
引言
了解控制生物群落构建的原理及其对土壤生物地球化学循环的影响，对于预测生态系统对全球气候变化的响应至关重要。群落构建的基本过程在物种组成和生态系统功能中起着共同的作用，确定性过程表明选择是塑造土壤微生物组的主要力量，包括环境过滤和物种相互作用等，而随机性则强调扩散事件和随机漂移。目前，随机和确定性过程在多大程度上有助于农业生态系统中的群落构建仍然是一个需要考虑的问题。
长期低磷施肥通过改变土壤氮-磷或碳-磷比来改变微生物群落。而平衡施肥被认为是提高细菌多样性、酶活性、土壤质量和作物产量的有利策略，这与微生物群落的随机过程有关。关于施肥引起的环境变化对生物群落构建过程影响的研究主要集中在单个细菌或真菌群落上。而土壤原生动物和线虫作为自上而下的调节者，在调节微生物群落结构和生态系统功能方面起着至关重要的作用。因此，有必要考虑不同的生物类群，以了解人为环境变化如何影响土壤微生物和微型动物的群落组装过程。
为了促进对地下生物群落机制的理解，有必要阐明生物群落与装配过程之间的关系。土壤生物群落的组装过程必然会塑造土壤生物群落的多样性和共现网络，并对生态系统功能产生重要影响。群落构建过程的变化为不同生物群落的组成和物种共存模式的差异提供了证据。在以低多样性为特征的细菌群落中，确定性过程往往占主导地位，而随机过程导致更复杂的微生物共现网络，从而可能影响微生物相互作用。微生物群落从大到小尺度表现出真菌多样性与群落随机性比率之间的不同关系。然而，在更大尺度上评估组装过程对土壤生物类群多样性和网络结构的影响还需要进行全面的定量综合。
生物群落多样性在预测生态系统功能对地下生境变化的响应方面具有重要的生态学意义。揭示多样性-功能关系的机制对于确定生物的丰度和组成对生态系统功能的贡献至关重要。许多研究主要集中在微生物α-多样性对生态系统功能的影响，β-多样性在群落组成变化中的作用相对较少受到关注。此外，生物功能性状所反映的网络复杂性和稳定性在决定生态群落的功能组成中起着关键作用。土壤微生物和线虫群落经历了显著不同的组装过程，导致在养分循环中具有不同的功能组成。迄今为止，关于生物类群的组装过程如何通过调节群落多样性和网络稳定性来影响土壤微生物功能潜力的研究较少。
本研究试图探讨环境因子和生物群落影响土壤微生物在C、N、P和S循环方面的功能的机制。我们在不同地点进行了长期试验，设置了三种处理，包括不施肥、缺磷施肥和平衡施肥。通过高通量测序确定细菌、真菌、原生生物和线虫群落，利用基于基因芯片的宏基因组技术进行功能基因芯片检测。具体来说，我们试图回答以下问题：(1)与缺磷施肥相比，生物类群的组装过程、多样性和共现网络如何响应平衡施肥?(2)生物群落的随机性和确定性过程如何介导生物群落的多样性和网络稳定性?(3) 群落组装过程通过群落多样性和网络稳定性影响土壤微生物功能潜力的机制是什么?我们推测，与缺磷处理相比，平衡施肥会增强微生物群落的随机过程，土壤微生物(细菌、真菌、原生动物)和微型动物(线虫)对施肥表现出一致的响应。我们还假设，生物群体的随机过程将导致群落多样性和网络稳定性的增加，从而提高土壤微生物的功能潜力。
结果
平衡施肥的群落构建更加随机，且距离衰减关系斜率降低
采用基于零模型的标准化随机性比率( NST ) 量化群落构建中的随机过程。在细菌、真菌和原生动物中，平衡施肥处理比缺磷肥处理的群落构建更加随机，而不同处理的线虫群落构建无明显差异。
一种普遍的观点是确定性和随机性过程都会影响距离衰减关系（DDR）， DDR可体现体现群落的β多样性在空间尺度上的变化。4种生物类群的距离衰减关系呈明显的负斜率。细菌、真菌和原生生物群落的斜率在NK和NPK之间表现出显著差异，NPK高于NK，表明随着距离的增加，NPK群落相似性的降低小于NK线虫群落无显著差异，但存在斜率与另外3个类群相反的趋势。
平衡施肥的生物共现网络更复杂，稳定性更强
不同地点的生物群落α-多样性存在显著差异。施肥处理对α-多样性影响不太显著。地点、施肥显著影响生物群落整体β-多样性，地点也显著影响细菌、真菌、原生生物和线虫群落的β-多样性。与真菌和线虫相比，细菌和原生生物群落对地点和施肥处理的响应更强。
NPK的节点数和边数更多，且网络中线虫与细菌、线虫与真菌、原生生物与细菌的相关性均高于Ctrl和NK。负边与正边的比例总体表现为Ctrl > NPK > NK，NPK比例适中。在网络在拓扑指标上，NPK网络的平均度和自然连接度最高。
NPK网络的平均度、聚类系数、网络密度和直径均最高。
NPK网络中模块中心的和连接点数量也高于Ctrl 和NK。
群落组装过程与群落多样性和网络稳定性的关系
α-多样性和β-多样性与细菌群落的随机性成正相关，但与真菌、原生生物和线虫群落的随机性成负相关。网络稳定性与细菌、真菌和原生生物群落随机性呈正相关，但与线虫群落的随机性呈负相关。
平衡施肥的土壤微生物功能潜力加强
Ctrl和NK的土壤微生物功能潜力的距离衰减关系显著，NPK则不显著，表明不同地点的功能基因组成相似。平衡施肥显著提高了与碳、氮、磷、硫循环相关功能基因的相对丰度。土壤微生物功能潜力以及与碳、氮、磷、硫循环相关的功能潜力受地点、施肥及其交互作用的显著影响。
土壤理化性质和生物群落对土壤微生物功能潜力的影响
环境因子与β-多样性的相关性强于与α-多样性的相关性，体现在细菌和真菌群落TN、OM、pH、C/N、C/P和N/P以及原生动物和线虫群落的pH、AP和铵态氮中。网络稳定性与TP和AP的呈正相关，与硝态氮和C/N、C/P、N/P的呈负相关。
施肥处理显著影响了生物群落的α-多样性和土壤微生物功能潜力，但施肥对这些因子的影响在每个地点中并不一致。在所有样品中，生物群落的α多样性与土壤微生物功能潜力之间存在不显著的相关性，群落的β多样性、网络稳定性与土壤微生物功能潜力的β多样性均呈显著正相关关系。通过随机森林模型确定了土壤微生物功能潜力的高度显著的预测因子，包括土壤性质( AP、pH、TP、OM、TK和C/N、C/P、N/P的比值)、细菌Shannon和均匀度指数、真菌Chao1指数、原生生物和线虫均匀度指数、所有生物类群的β-多样性、平均度和自然连接度。
采用PLS-SEM评价土壤因子( AP、TP、C/P和N/P的比值)和生物群落( β多样性与网络稳定性)对土壤微生物功能潜力的直接和间接影响。AP和TP与生物群落的网络稳定性呈正相关。此外，AP和TP与细菌、真菌和原生动物群落的随机过程呈正相关，而与线虫群落的随机过程呈负相关。土壤养分化学计量比( C/P和N/P)与生物群落网络稳定性和随机过程呈负相关关系，而与生物β多样性呈正相关。网络稳定性与细菌、真菌和原生生物群落的随机过程呈正相关，而与线虫群落的随机过程呈负相关。而β多样性与细菌群落的随机过程呈正相关，而与真菌、原生生物和线虫群落的随机过程呈负相关。土壤微生物功能潜力与生物群落的网络稳定性和β多样性呈正相关。
讨论
生物群落组装过程、群落多样性和共现网络对养分输入的响应
长期的养分输入已经被证明可以降低细菌和真菌群落中随机性的相对重要性。磷有效性不足限制了微生物代谢活性，并通过环境过滤对微生物群落产生显著胁迫。相反，平衡的养分输入缓解了环境胁迫对群落构建的影响。随着磷可用性的增加，群落可能表现出更大的随机性，以抵消生态位划分的影响。
然而，线虫群落的NST和DDR对养分输入没有显著响应，这似乎与第一个假设相矛盾。但线虫群落在3种施肥处理下均表现出显著的距离衰减规律，表明微型动物群落组成可能强烈受到地理因素的影响，如气候、土壤类型。施肥对线虫群落的影响在不同土壤类型和地点之间可能并不一致，这一结果强调了当地条件的重要性，在研究线虫群落时，从单一地点外推到其他环境的结果有其局限性。
养分添加对微生物α-多样性的影响较小或仅为边际效应，但显著改变了β-多样性。均衡的养分投入导致富营养型物种的同质选择，有利于其生存。缺磷条件可以促进寡营养型物种的生长，导致不同的群落组成。同时，由于土壤pH和养分化学计量比的影响，施肥引起的土壤环境变化对β-多样性的影响比α-多样性更明显。我们的研究聚焦于一个复杂的多营养级网络，包括细菌、真菌、原生生物和线虫，而不是单一的分类学网络。结果表明，NPK网络具有最高的拓扑指标和模块中心性，具有高度的复杂性和鲁棒性。
此外，在平衡施肥处理中，不同生物类群之间的关联性最强。在地下生态系统中，养分可利用性可以通过自下而上的作用力影响多营养级的生物多样性。充足的营养物质供应可能导致基础营养级生物的快速生长，从而增加其捕食者的种群数量，增强潜在的多营养级相互作用。在微生物网络中，正边和负边通常被认为是潜在的合作和竞争关系，多重网络中合作与竞争的平衡是物种共存的根本机制。NPK网络中适度正负边的存在导致更多的共存物种和更稳定的网络结构。
组装过程对多样性和网络稳定性的影响
细菌群落的随机过程和真菌、原生生物和线虫群落的确定过程增强了β-多样性，部分支持我们的第二个假设。相反，细菌、真菌和原生动物群落的随机过程和线虫群落的确定性过程促进了网络稳定性。随机过程表明，当细菌具有相似的竞争共享资源的能力时，它们可以在高度重叠的生态位中共存，而不会因竞争而淘汰物种，这支持了较高的细菌多样性。细菌多样性的增加反过来又放大了代谢网络和营养物质的可利用性，从而促进了具有特殊功能的细菌的稳定共存。此外，由于细菌较小，受随机过程的影响较大，随机定殖或灭绝事件会导致生态漂移和扩散限制，最终导致高水平的β-多样性。以较大体型为特征的真核生物群落内确定性过程的增加，与栖息地异质性有关，这种异质性在不同区域创造了不同的生态位，从而促进了β多样性。在面对环境扰动时，由随机过程主导的微生物群落在复杂的生态网络中往往表现出更大的稳定性。线虫是土壤食物网的重要组成部分，参与复杂的营养级相互作用。线虫群落的随机波动可能会造成营养级相互作用的中断，从而影响生物网络的整体稳定性。
生物群落影响土壤微生物功能潜力的双重机制
在网络中考虑多营养级物种可以提高我们对农业生态系统土壤微生物功能潜力的预测能力。我们的研究表明，土壤环境因子通过影响生物群落的网络稳定性和β多样性，改变了生物类群的组装过程，从而影响土壤微生物的功能潜力。我们创建了一个概念图来说明不同土壤环境因子调控土壤微生物功能潜力的双重机制。一种机制表明，在平衡施肥(NPK)处理下，高磷水平和低养分化学计量比(C/P和N/P)增加了细菌、真菌和原生生物群落的随机过程和线虫群落的确定性过程，通过增强生物群落的网络稳定性增强了土壤微生物功能潜力。土壤磷资源的增加提高了土壤微生物的养分可利用性，加速了微生物的代谢活动，最终改善了微生物群落的随机过程，增强了网络稳定性。然而，磷添加也会引起环境胁迫，增加线虫群落的确定性过程，可能通过自上而下调控来提高网络稳定性。此外，低营养化学计量比(C/P和N/P)能够在线虫和微生物之间形成复杂而稳定的生态网络，具有较高的平均度和自然连通性。在农业生态系统中，稳定的多营养级网络可以通过增强养分循环和碳利用效率来提高土壤微生物的功能潜力，因为集团相互作用被认为是生态系统功能的重要驱动力。
作为一种替代机制，低磷水平和高养分化学计量比(C/P和N/P)增强了缺磷施肥(NK)处理下细菌群落的随机过程和真菌、原生生物和线虫群落的确定性过程，通过增加生物群落的β-多样性来提高土壤微生物功能潜力。在缺乏外源磷源的情况下，真菌、原生生物和线虫群落中确定性过程的增强可能归因于对磷的竞争加剧。通过特定机制的进化，如共生关联、营养吸收效率或磷储存策略，这些真核生物发展出了多样化的生存策略，促进了β-多样性的增加。此外，高的土壤养分化学计量比有可能创造环境异质性来影响磷驱动的确定性过程，从而有助于形成不同生物的独特生态位，并培育生物β多样性。缺磷环境通常具有较高的β-多样性，有利于特定物种的生存，并提供独特的功能潜力。高β-多样性对于维持局部环境中的多种功能至关重要，因为不存在能够同时支持所有功能的物种组合。因此，不同管理措施下多营养级网络和β-多样性对土壤微生物功能潜力的贡献可能具有重要的生态学意义，值得进一步研究。
