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2019-07-12浏览量:944

『锐帮读』多组学分析揭示水分变化对草原土壤微生物群落环境的影响

文献ID

题目:Metaphenomic Responses of a Native Prairie Soil Microbiome to Moisture Perturbations

译名:草原土壤微生物对水分扰动的宏表型组反应

杂志:mSystems   IF:6.519

发表时间:2019年

通讯作者:Taniya Roy Chowdhury

通讯单位:美国华盛顿里奇兰太平洋西北国家实验室地球和生物科学理事会

 

 材料与方法

实验设计

在康扎草原生物站生态研究中心的三个地点(Site A, Site B, Site C)收集土壤(LTER),这些取样点不受农业干扰,以本土低地特有的多年生C4草为主。土壤A、C来自潮湿地区,土壤B来自相对较干燥的地区。每个地点的土壤样本取自3个位置,至少相距10米,取样深度距离地表0-15厘米,然后进行混合,在液氮中冷冻并运往太平洋西北国家实验室。对每个地点的样本进行3种处理(3种水分条件:湿润至饱和,空气干燥至恒重,保持正常环境湿度【对照】),每个处理3个重复,共27个样本。

从每个样本中取0.25g(湿重)提取DNA,进行16S和宏基因组测序;再取2g提取RNA,进行宏转录组测序。取5g湿土,检测土壤中的极性代谢产物。

 

 测序区域及平台

16S测序平台和测序策略:Illumina Miseq;V4区,PE250

宏基因组和宏转录组测序平台和策略:Illumina Hiseq,PE250

代谢组学检测平台:GC-MS

 

研究成果

1、土壤呼吸速率检测

对土壤呼吸进行检测,发现碳土中CO2释放量显著高于土壤B和土壤C中湿处理和干处理下的土壤CO2释放量。虽然没有检测土壤中O2水平,但干燥土中呼吸作用增加可能表明有机质氧化速率较高。

 

2、土壤微生物群落结构随着土壤水分变化而变化

16S测序结果表明土壤样本中存在细菌和古细菌,但大部分是细菌。土壤在干燥过程中对细菌β多样性有显著影响,与湿润土壤和对照组土壤微生物群落结构显著区分开来;湿润土壤和对照组土壤相对聚集,说明过量的水分对群落结构影响几乎可以忽略不计(图1a)。对于所有位置的土壤,特定菌群对于干燥的响应产生显著变化,酸杆菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门、硝化螺旋菌门、变形菌门对应的OTUs数量显著降低,放线菌门、绿弯菌门、变形菌门等相对丰度显著提高(图1b)。对土壤进行湿润处理后,疣微菌门、拟杆菌门、酸杆菌门相对丰度显著降低;变形菌门相对丰度显著提高(图1b)。干燥还导致α多样性显著变化(图1c)。

 

图1 土壤微生物对湿润、干燥环境的反应

 

3、土壤微生物应对水分变化的转录组水平反应

该研究从土壤A和C中共得到1857份转录本,不幸的是B位点没有获取到足够的RNA进行数据分析。数据分析显示基因表达显著受A、C两种土壤水分变化的影响(图2a)。图2b展示了top 20转录本(丰度最高)的丰度热图,干燥土壤中大部分转录本的相对丰度要高于湿润土壤的,主要涉及核苷酸代谢,包括DNA定向RNA聚合酶、硫酸腺苷转移酶、聚核糖核酸核转移酶、DNA定向聚合酶、DNA拓扑异构酶。

 

图2 宏转录组测序分析土壤微生物对水分扰动的反应

 

干燥土中的大部分微生物表达水平要高于湿润土。Terrabacteria组在干燥和湿润条件下表现出最高的表达水平,这个大组包含近2/3的细菌种类,如放线菌门、厚壁菌门、蓝藻菌门、绿弯菌门和Deinococcus-Thermus(图3)。

 

图3 转录组测序分析土壤不同分类水平微生物对湿润、干燥环境的反应

 

4、土壤水分含量变化所致的代谢物图谱变化

应用非靶向代谢组学检测方法评估土壤中水分变化对代谢物的影响。共有165种代谢物被检测到,其中70种在参考数据库中能找到相应注释。PPCA分析表明干燥土代谢物组成与湿润土和对照组显著区分开(图4a)。当挑选对至少一个位点具有显著处理效果的代谢物进行PPCA分析时,这种差别更明显(图4b)。与对照组相比,70种检测到的代谢物中的15种在湿润或干燥处理下发生显著变化(图4c)。此外,土壤干燥还导致所有采样点的几种糖和糖醇含量的持续上升。通常,单糖和羧酸的相对丰度(如葡萄糖、蔗糖、果糖、甘露糖、木糖、海藻糖、羟基苯甲酸、三磷酸、苏糖酸、甲苯甲酸)在土壤干燥后会显著提高。

 

图4 水分变动对土壤微生物代谢产物的影响

 

5、对土壤湿润和干燥处理响应的反应网络的识别

为了描绘土壤宏表型组特征,该研究将宏转录组和代谢组数据合并到一个代谢反应网络模型中。基于KEGG数据库中描述的参考途径的层次结构,将已鉴定的反应分类到代谢物-反应网络中,最后,将已识别的代谢物反应网络转换成无向二分图(图5)。该图展示了识别出的4种与土壤A干燥环境相关的集群:淀粉和蔗糖代谢;氰胺代谢;碳代谢、戊糖磷酸途径与碳固定;甘油磷脂代谢和醚脂代谢。土壤C在干燥条件下的代谢网络也包括“淀粉和蔗糖代谢”、“碳代谢、戊糖磷酸途径和碳固定”。此外,“脂肪酸代谢”和“氯烷和氯烯烃降解”途径在干旱和湿润条件下的土壤C中分别被发现。相比之下,湿润土壤中没有发现这种明显的团簇现象。在这两种土壤中,该研究预测了与土壤A、C的干旱土或湿润土有关的独特反应(图5c)。有趣的是,这些反应的发生是为了干旱土中海藻糖的合成及湿润土中海藻糖的降解。

 

图5 MEMPIS预测水分对草原土壤生化反应的影响

 

研究结论

土壤干燥导致微生物群落组成、功能显著变化。相反,湿润土壤对二者影响不大。场地位置是决定土壤微生物对水分扰动反应的一个重要因素。然后,一些特定代谢途径在不同部位不断变化,包括产糖和其他渗透性物质的途径和代谢物增加,以此作为对原生草原土壤微生物应对干旱环境的一种响应。通过该技术,研究证明尽管土壤生境高度复杂,仍然有可能深入了解环境变化对土壤微生物群落及其生理功能的影响,从而为未来有针对性的研究奠定基础。

 

亮点

该研究利用16s、宏基因组、宏转录组、代谢组等多组学方法,从微生物群落结构、代谢途径、代谢产物等水平共同揭示土壤水分变化对土壤宏表型组的影响。

 

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