科研 | 河北大学和清华大学联合发文：微生物功能性状可作为轻度羔羊放牧扰动下的敏感指标
本文由艾奥里亚编译，玛莉、江舜尧编辑。
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环境中普遍存在着轻微扰动，短期内不容易引起注意，但长期可能会产生严重的生态后果。为了评估这一点，本研究基于一项野外研究，探究了羔羊在不同土壤背景下放牧对草地土壤微生物群落的影响。基于研究发现，各植被和土壤变量的变化在各处理间差异不显著（P>0.05）。但数百个微生物功能基因家族（而非细菌分类系统）发生了显著的变化（P<0.05）。硝化细菌的分类及功能基因的相对丰度均发生了变化。基于研究，笔者认为，在轻微环境扰动方面，功能性状（功能基因）表现出高度的敏感性，这一研究结果表明，解决微生物响应的关键水平并不是由“物种”水平（基于rRNA分类）所决定，而取决于功能基因水平。
论文ID
原名：Microbial functional traits are sensitive indicators of mild disturbance by lamb grazing
译名：微生物功能性状可作为轻度羔羊放牧扰动下的敏感指标
期刊：The ISME Journal
IF：9.52
发表时间：2019年
通信作者：河北大学万师强，清华大学杨云峰
通信作者单位：河北大学，清华大学
研究背景
由于各种自然和人为活动，地球环境不断发生着变化。基于对不同生境下的310项实验以及68项观测调查表明，在大多数研究中，微生物分类和功能组成对环境扰动一般都很敏感。进一步研究表明，这种可观察到的变化通常与环境变量的显著变化有关。然而，包括低浓度的持久性有机污染物的引入在内的许多干扰，在短期内是温和的，但从长远来看可能会产生明显的后果。由于时间上的限制以及难以对轻微扰动进行量化，因此这些扰动很少得到科学界的研究。
为了解决以上问题，本研究在锡林郭勒草原（位于内蒙古的典型温带欧亚草原）进行了一项轻微强度干扰下羔羊放牧的野外研究。在过去的一个世纪里，由于过度放牧和风沙侵蚀，草原发生了严重的土地退化。为了恢复这片草地，当地政府从2000年开始限制放牧，导致该区域目前存在低强度的放牧情况。放牧活动是全世界草地的主要土地利用活动，同时对环境和经济都有广泛的影响，因此通过深入探究低强度放牧对生态的影响，不仅有助于解决基本的科学问题，而且有助于制定适当的草地土地利用战略。本研究探究了在三种条件下（单独或结合模拟风沙土壤侵蚀以及沉积）低强度羔羊放牧的影响（图S1）。
图S1 a代表试验场现场示意图，其中C为空白对照，E为土壤侵蚀，D微土壤沉积，G为羔羊放牧，EG为土壤侵蚀+羔羊放牧，DG为土壤沉积+羔羊放牧；b代表牧场上一只羔羊的照片；c代表风蚀模拟图。
实验结果
本研究对了15个植物和土壤变量进行调查研究发现，放牧对这些变量没有显着的影响（P>0.05）。为了探究不同样本中的微生物组成，本研究对土壤样本进行16S rRNA高通量测序，在每个样品中检测到17,111个序列，分属于474个属。主坐标分析（PCoA）表明，群落的总体组成没有变化（图1a），这也得到了Adonis非参数相异性检验的验证（P>0.05，图1a）。
基于GeoChip 5.0共检测到31,309个基因，分属于676个基因家族，这其中包含161,963个探针，涉及碳、氮、磷、硫循环等多种微生物功能性状。放牧明显改变了整个微生物的功能组成（图1 b）。此外，放牧还可以通过与土壤侵蚀和沉积的相互作用影响微生物的功能组分（表S3）。这些结果表明，在对轻微扰动的响应方面，群落功能基因的变化比微生物分类的变化更容易被检测到。与以往的研究（微生物系统发育和功能成分之间的耦合）不同，本研究并没有观察到它们之间的联系（r=-0.06，P=0.23）。这有力的说明了近期新兴的一种研究框架，即微生物的功能和分类是相互独立的，因为它们是由不同的过程形成的。已有的研究表明，类似的功能可以在相对距离较远的分支中执行，而同一分支中的不同成员可以执行不同的代谢功能。
图1 基于16S rRNA基因序列数据的微生物的主坐标分析（PcoA）（a）；基于GeoChip芯片数据的微生物的主坐标分析（PcoA）（b）；基于16S rRNA基因扩增数据的44个硝化菌（17个Nitrosospira，4个Nitrobacter，23个Nitrospira）的硝化功能基团的主坐标分析（PcoA）（c）；基于GeoChip芯片数据，在空白，侵蚀和沉积的采样点的amoA基因（AOB）分离得到的255个基因探针的主坐标分析（PcoA）（d）。
表S1 土壤和植物变量测量综述。
表S3 微生物分类和功能成分的双尾ANOVA 分析。
由于微生物的基因组中通常含有数千个功能基因，而功能图谱的高维性导致其存在更高的分辨率，因此功能基因可能对低强度放牧具有较高的敏感性。为了验证这一点，我们用基因芯片检测了单个基因家族。在总共676个基因家族中，分别有67%、60%和65%的基因在对照、侵蚀和沉积位点的低强度放牧下表现出显著的变化，这表明个别功能基因对轻度干扰仍具有敏感性。这其中有一种趋势，即基因越丰富其对于干扰越敏感。这些基因包括编码淀粉降解相关的α-淀粉酶、与几丁质降解相关的几丁质酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶、与纤维素降解相关的纤维二糖酶、编码钾转运系统蛋白的trkGH和trkA等多种基因。以上结果表明，与基于16S rRNA的微生物分类相比，微生物功能性状可更有效的作为反映轻度扰动更加敏感的指示剂。值得注意的是，由于少数代谢基因的功能往往不如16S rRNA基因那样，在蛋白质生物合成机械组件中起到关键的作用，因此只有少数代谢基因具有像16S rRNA基因那样的高度保守型。在细菌中普遍存在的16S rRNA基因，使其成为一种细菌分类标记。尽管如此，16S rRNA基因相对较高的保守性使得很难检测到序列中的微小变异。另外，环境条件对功能性状有很强的影响，但对微生物分类的影响很小，本研究中同样观察到相似的结果（图1）。因此可以想象，轻微干扰引起的微小环境变异可以通过功能性状的变化更真实地反映出来。
频繁的水平基因转移使功能基因与系统发育之间发生脱节。因此，我们检测了编码氨单加氧酶活性位点亚基的amoA基因，该亚基已知具有罕见的水平基因转移事件。基于研究结果发现，放牧活动对amoA-AOB和amoA-AOA基因均有不同程度的影响（图1c）。此外，在控制放牧、侵蚀和沉积的条件下，从门到种水平的amoA基因组成都发生了显著变化（Adonis的差异试验，表S5）。此外本研究还检测了硝化细菌。其中共鉴定出23株Nitrospira、4株Nitrobacter和17株Nitrosospira的OTUs序列。基于Adonis的非参数相异性检验（P=0.01），我们发现硝化细菌的组成在沉积点放牧时发生了变化（PCoA，图1d）。沉积物中Nitrospira的总丰度增加了34%，其余两个属在放牧过程中保持不变。
表S5 不同分类分辨率非放牧位点和放牧位点amoA基因组成的差异。
总结
由于各种自然和人为活动，地球环境不断发生着变化。基于对不同生境下的310项实验以及68项观测调查表明，在大多数研究中，
基于以上研究结果，强调了微生物功能在监测环境扰动中的重要性。由于很多细菌分类群并不完全适合当前的功能团体框架，因此将微生物的功能特性与环境之间相互联系，使用以功能特性为中心的方法可以更加有效的监测和解释环境响应。生态群落的功能分类可以提高生态学研究的可预测性，因为由于功能的不同进化，在分类上相似的群落在功能上可能是不同的。
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