上海交大等單位合作研究揭示土壤微生物菌群的群落構(gòu)建機制
近日，美國微生物學(xué)會刊物mSystems在線刊登了上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國家重點實驗室與合作單位法國里昂中央理工大學(xué)及華東理工大學(xué)在土壤菌群的群落構(gòu)建機制方面的最新研究論文“Variability in the response of bacterial community assembly to environmental selection and biotic factors depends on the immigrated bacteria as revealed by a soil microcosm experiment”。 上海交大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生吳曉剛為論文第一作者，張曉君研究員為通訊作者。
在微生物群落的構(gòu)建過程中，菌群的遷入（immigration）和環(huán)境選擇（environmental selection）被認為會影響菌群的結(jié)構(gòu)。已有研究結(jié)果中，一部分研究論文支持環(huán)境選擇是決定群落結(jié)構(gòu)的首要因素，認為菌群的構(gòu)建是基于環(huán)境因素和營養(yǎng)水平的確定性過程；而另一部分研究論文則認為遷入菌群是決定群落結(jié)構(gòu)的首要因素，即細菌群落的構(gòu)建是由那些能夠進入其生活環(huán)境的微生物種類決定的。由此可以發(fā)現(xiàn)，在不同的研究中，菌群的遷入過程和環(huán)境選擇的相對重要性是不同的。而造成這種不確定性的原因也一直是困惑學(xué)術(shù)界的問題。
在該項研究中，研究小組模擬群落構(gòu)建的過程，探究了接種物因素和受體因素分別在群落構(gòu)建中的相對重要性。具體地，研究小組采集了來自農(nóng)田（ONS）和受較嚴重污染的工業(yè)用地（ACS）兩種環(huán)境的土壤，以滅菌土壤作為受體，未滅菌土壤作為接種物，分別進行了交換接種和自我接種培養(yǎng)實驗，并以高通量測序技術(shù)分析獲得樣品群落的組成結(jié)構(gòu)。
結(jié)果表明，影響菌群結(jié)構(gòu)的首要關(guān)鍵因素是接種物類型，其次才是受體類型和理化因素。本研究中兩種接種物的菌群多樣性差異顯著，且都有多樣的不同類型的生態(tài)等價細菌（ecologically equivalent bacteria）。生態(tài)等價細菌是指可以適應(yīng)不同土壤環(huán)境的細菌，而非等價細菌則只能適應(yīng)特定土壤環(huán)境?；赽eta多樣性分析和方差分解分析的結(jié)果，論文提出了菌群構(gòu)建機制的模型（如下圖）。當接種物中含有多種不同種類的生態(tài)等價細菌時，接種物因素決定了群落結(jié)構(gòu)，此時遷入菌群的解釋度是高于環(huán)境選擇的。與之相反的是，當接種物中只含有相同種類的生態(tài)等價細菌時，土壤受體類型與理化條件會篩選出接種物中各自對應(yīng)的非等價細菌，使得不同受體的菌群出現(xiàn)差異，此時環(huán)境選擇過程成為群落結(jié)構(gòu)的決定因素。因此，在自然環(huán)境中，當遷入菌群顯著不同時，菌群中含有相異的生態(tài)等價細菌，遷入的菌群比環(huán)境選擇在群落構(gòu)建過程中更加重要。而當遷入菌群的組成相似時，菌群中含有相同的生態(tài)等價細菌，環(huán)境選擇的效應(yīng)就會在菌群構(gòu)建過程中更為明顯。
該論文首次闡明了以往研究中以遷入菌群和環(huán)境選擇解釋群落構(gòu)建機制時結(jié)果存在差異性的原因，以多維的思路解析了土壤菌群的群落構(gòu)建機制。論文將有助于為操控復(fù)雜菌群的構(gòu)建、維持和高效功能發(fā)揮提供理論指導(dǎo)。
該研究項目獲得國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：https://msystems.asm.org/content/4/6/e00496-19
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