drivkræfter for jordbakteriel samfundsstruktur, mangfoldighed og funktion i tempererede græsarealer og skove

jordprøvernes generelle egenskaber

jordprøver viste signifikante forskelle med hensyn til jordtekstur og edafiske egenskaber (tabel 1, supplerende Materialetabeller S1 og S2). Skovjord var surere, havde et højere C:N-forhold og mindre lermængde end græsarealer. Skovjordprøver afledt af de forskellige udforskere udviste betydelige forskelle i alle målte edafiske egenskaber. Schorfheide-Chorin-skovjordene var mere sure og havde højere C:N-forhold sammenlignet med Hainich-D-og Schorfheide-Chorin-skovjordene, som ikke adskiller sig markant. Ud over, Schorfheide-Chorin skovjord udviste også det laveste gravimetriske vandindhold, ler og siltmængde af alle opdagelsesrejsende.

græsarealer jordprøver afledt af de forskellige udforskere udviste også signifikante forskelle mellem alle målte edafiske egenskaber. Hainich-D-græsarealerne havde de højeste pH-værdier, det laveste gravimetriske vandindhold og den højeste siltmængde sammenlignet med Schorfheide-Chorin-og Schorfheide-Chorin-jorden, som ikke adskiller sig væsentligt. Schorfheide-Chorin græsarealer udviste det højeste C: N-forhold og sandmængde sammenlignet med de to andre udforskere. Lermængden var lavest i Schorfheide-Chorin græsarealer, efterfulgt af Hainich-D-jordene. De højeste lermængder blev bestemt for græsarealerne. Væsentlige forskelle i jordparametre mellem de forskellige forvaltningsregimer blev ikke registreret (ANOVA, P > 0,5 i alle tilfælde).

jordbakteriesamfund

sammensætning og mangfoldighed af jordbakteriesamfund blev vurderet ved pyrotag-sekventering af 16S rRNA-gener. Efter kvalitetsfiltrering, denoisering og fjernelse af potentielle kimærer og ikke-bakterielle sekvenser blev der opnået cirka 2.700.000 sekvenser af høj kvalitet med en gennemsnitlig læselængde på 525 bp til yderligere analyser. Alle sekvenser blev klassificeret under phylum niveau. Baseret på rigdom estimator data (Michaelis-Menten fit; Supplerende Materialetabel S3) 78-88% af de operationelle taksonomiske enheder (OTU ‘er) ved 80% identitet (phylum-niveau) og 27-55% af Otu’ erne ved 97% identitet (artsniveau) blev dækket af opmålingsindsatsen (for sjældne kurver, se supplerende materiale Fig S1 og S2).

opnåede sekvenser grupperet i 203.530 OTUs (97% identitet) og blev tildelt 51 bakterielle phyla, 574 ordrer og 1.215 familier. De dominerende phyla-og proteobakterielle klasser (>1% af alle sekvenser på tværs af alle prøver) var Actinobacteria (23,75% Pro 8,55%), Alphaproteobacteria (20.43% 5,21%), Acidobacteria (18,39% 9,19%), Deltaproteobacteria (7,22% 2,84%). Bacteroidetes (5.15% ± 2.60%), Chloroflexi (5.09% ± 2.10%), Betaproteobacteria (4.64% ± 2.38%), Gammaproteobacteria (4.32% ± 1.23%), Gemmatimonadetes (1.88% ± 0.92%), Firmicutes (1.18% ± 3.20%), og Nitrospirae (1.14% ± 1.10%). Disse fylogenetiske grupper var til stede i alle prøver og tegnede sig for mere end 95% af alle sekvenser analyseret i denne undersøgelse (Fig. 1). Disse resultater er i overensstemmelse med tidligere undersøgelser af græsarealer24 og tempererede bøgeskove25. Den mest rigelige fylotype(3,99% af 2.44) er et ukultureret medlem af undergruppen 6 af Acidobacteria. De fem mest udbredte fylotyper, der kunne tildeles en slægt, er Bradyrhisobium (2,66% kur 1,45%), Candidatus Solibacter (2,00% kur 1,86%), Haliangium (1,39% kur 0,74%), Variibacter (1,36% kur 0,58%) og Gaiella (1,34% kur 1,31%) af alle sekvenser.

biogeografiske variationer af jordbakteriel mangfoldighed og samfundssammensætning

mangfoldighed (repræsenteret af Shannon-indekset H’) og samfundsstruktur af jordbakterier (PERMANOVA, P < 0.001) adskilte sig mellem de tre Biodiversitetsundersøgere. Hainich-D-Kurstn-efterforskningen husede det mest forskelligartede bakteriesamfund (H’ = 10,22) sammenlignet med Schorfheide-Chorin (H’ = 9,72) og Schv-Kurstbische Alb (H’ = 9,92). Desuden er græsarealer betydeligt mere forskelligartede end skovjord (H’ = 10.12 og H’ = 9.48, henholdsvis med P < 0.001), som understøtter tidligere fund fra Nacke og kolleger9, der rapporterede, at bakteriesamfund var mere forskellige i græsarealer på phylumniveau. Da prøver afledt af skovjord var surere end prøver af græsarealer (P < 0,001), kan forskellen i pH forklare forskellen i mangfoldighed (tabel 1).

de mest dominerende bakterieordrer i det komplette datasæt var forskellige i deres fordeling på tværs af de tre udforskere. Disse forskelle opstod sandsynligvis fra forskelle i edafiske egenskaber i udforskere. Derfor testede vi for korrelation af miljøfaktorer ved nmds-analyse baseret på Bray-Curtis-forskelle. Montering af edafiske egenskaber til ordinationen afslørede pH som den stærkeste drivkraft for samfundet. Yderligere kanonisk korrespondanceanalyse (CCA) ved anvendelse af pH som begrænsning viste, at pH forklarer 26% af variationen i samfundsstruktur (P < 0.001, supplerende figur S3). Vi fandt desuden en adskillelse af jordbakteriesamfund ved prøveudtagningsregion (PERMANOVA, P < 0.001) og de to arealanvendelsestyper græsarealer og skov (PERMANOVA, P < 0.001) (supplerende figur S4). Derfor var vi interesserede i en detaljeret analyse af de faktorer, der driver ændringerne i strukturen af bakteriesamfund i hver sonderende. Vi opdeler yderligere dataene mellem græsarealer og skove på grund af den stærke adskillelse mellem fællesskabsstrukturen for begge arealanvendelsestyper.

nøgledrivere af bakteriesamfund

for at identificere de vigtigste drivkræfter for jordbakteriel samfundsstruktur for hver arealanvendelsestype i hver sonderende udførte vi NMDS-analyse for de seks undergrupper. Jordens pH var den eneste egenskab, der påvirkede samfundsstrukturen i hver delmængde (Fig. 2). En anden egenskab, der påvirkede samfundsstrukturen i græsarealer og skove, var jordstruktur (mængde ler, sand og/eller silt), som repræsenterer porestørrelse,vand-og gasstrøm og næringsstoftilgængelighed26, 27. Desuden er jordstruktur vigtig for nicheseparation og beskyttelse mod prædation28.

i græsarealer påvirkede C:N-forholdet bakteriefællesskabsstrukturen i Schorfheide-Chorin og Schorfheide-Chorin, men ikke i Hainich-D-kurven. Dette understøttes af en pfla-baseret undersøgelse af jordbakteriesamfund, hvor edafiske egenskaber såsom jordtekstur, pH og C-og N-koncentration var involveret i strukturering af jordbakteriesamfund10. Arealanvendelsesintensitetsindekset (LUI) var kun korreleret med græsarealsamfundet. LUI tegner sig dog kun for mængden og ikke for kilden til befrugtning. I græsarealerne modtog de fleste jordlodder organisk gødning (gødning, gødning), mens befrugtning i Hainich-D-Karrn og Schorfheide-Chorin blev domineret af anvendelse af mineralsk gødning. Disse fund understøtter en nylig undersøgelse, hvor jordmikrobielle samfund af landbrugssystemer, der modtager organisk gødning, var forskellige sammenlignet med konventionelle, mineralt befrugtede systemer og kontroljord29. I overensstemmelse med Geisseler og Scov30 blev der ikke fundet klare tendenser, der tyder på bakterielle samfundsstrukturelle skift på grund af langvarig anvendelse af mineralsk gødning i vores undersøgelse.

i skovjord var træarten korreleret med bakteriel samfundsstruktur i alle udforskere, mens skovbrugsstyringsindekset (SMI) kun påvirkede samfundsstrukturen i Schorfheide-Chorin væsentligt (Fig. 2). Jordbakteriesamfund under bredbladede (Fagus og Kvercus) og Nåletræer (Pinus og Picea) træer dannede forskellige mønstre. Dette er i overensstemmelse med resultaterne af tidligere undersøgelser9,20. Nacke et al.9 analyserede en delmængde af jordprøver, der var afledt af hhv. bøg (Fagus) og Gran (Picea), og fandt ud af, at den bakterielle samfundsstruktur var forskellig under bøg (Fagus) og Gran (Picea). Dette er i overensstemmelse med en undersøgelse, der sammenligner bakteriesamfund under nåletræ og bredbladede træer20. Vi observerede ikke en forskel mellem de to bredbladede træarter, skønt forskelle i jordsamfundsstruktur mellem bredbladede træer er blevet beskrevet for Fagus versus Tilia og Acer31. Disse virkninger kan delvis skyldes den reducerede forsuring af jorden og højere omsætningshastighed for bladkuldet Tilia og Acer32. Nåletræsarter som gran (Picea abies) og fyr (Pinus sylvestris) er kendt for at reducere jordens pH betydeligt (gennemgået i ref. 33) på grund af den særlige kemiske struktur af stedsegrønne kuld eller indfangning af atmosfæriske sure forbindelser34. Dette ville resultere i en indirekte pH-effekt på jordbakterier. Derudover kan dette være en af grundene til, at træarter spiller en vigtig rolle i struktureringen af bakteriesamfund i alle analyserede skovprøver.

i henhold til vores hypotese om, at bakteriel samfundsstruktur og mangfoldighed ville blive påvirket på lignende måder under samme arealanvendelse, sammenlignede vi den bakterielle mangfoldighed, repræsenteret af Shannon-indekset (H’), mellem de forskellige forvaltningsregimer (supplerende Materialetabel S4). Forskelle i mangfoldighed blev påvist for træarterne i Schorfheide-Chorin og Schorfheide-Chorin.

interessant nok udviste forvaltningsregimer i græsarealer (eng, græsarealer, klippet græsarealer) og skove (ikke-administreret skov, aldersskov, udvælgelsesskov) ingen signifikant effekt på bakteriel mangfoldighed (PERMANOVA, P < 0.05). Dette er i modsætning til en tidligere undersøgelse foretaget af vil et al.22, Der fandt en højere bakteriediversitet i græsarealer med lav arealanvendelsesintensitet i Hainich-D. I modsætning, Tardy et al.17 undersøgte bakteriel mangfoldighed langs gradienter af arealanvendelsesintensitet og observerede den højeste bakterielle mangfoldighed i moderat forvaltet jord. Forfatterne antyder, at denne effekt er relateret til bakteriesamfundets stressrespons. I stærkt stressede miljøer, som under høj arealanvendelsesintensitet, falder mangfoldigheden på grund af dominansen af konkurrencedygtige arter og konkurrencedygtig udstødelse, mens i ubelastede miljøer falder mangfoldigheden på grund af dominansen af tilpassede arter gennem udvælgelse. I overensstemmelse med vores hypotese kunne vi finde jordforhold som pH, der konsekvent driver bakteriel samfundsstruktur såvel som mangfoldighed, mens forvaltningsregimer og derfor arealanvendelsesintensitet ikke har nogen væsentlig indflydelse. Derudover kunne vi vise, at pH er den bedste forudsigelse for bakteriesamfund.

Bakteriefunktion i græsarealer og skovjord

vi antog yderligere, at bakteriefunktion blev drevet på en lignende måde som bakteriel samfundsstruktur og mangfoldighed. For at afklare denne hypotese fokuserede vi på veje involveret i cykling af kulstof, nitrogen, fosfor og svovl (Fig. 3) og sammenlignede de relative mængder af nøgle-kodende gener mellem de to arealanvendelser græsarealer og skov. En ny bioinformatisk Værktøjskata4fun23. Taks4fun omdanner den SILVA-baserede OTUs til en taksonomisk profil af KEGG-organismer, som normaliseres med 16S rRNA-kopinummer (opnået fra NCBI-genomanmærkninger). Da jord har ukendte eller ukulturerede organismer, kan ikke alle 16S-sekvenser kortlægges til KEGG-organismer. Spearman korrelationsanalyse af funktionelle profiler afledt af hele metagenomsekventering og profiler udledt af 16S rRNA-gensekvenser afslørede en median af korrelationskoefficienten på 0,8706 for soils23. Dette indikerede, at Skat4fun giver en god tilnærmelse til funktionelle profiler opnået fra metagenomiske haglgevær sekventering tilgange. Dette er især værdifuldt at udlede funktionelle profiler for et stort antal prøver, der stammer fra komplekse miljøer, da det ville være en skræmmende opgave at opnå repræsentativ dækning for hver prøve af en stor prøve, der er indstillet af metagenome shotgun-sekventering.

de fleste vigtige kodende gener involveret i cykling af C, N, S og P er enten mere rigelige i græsarealer eller skovjord (Mann-Hvidney test, P< 0.05, supplerende Materialetabel S5). For eksempel, gener, der koder for syrephosphataser, blev observeret ved 1.4 gange højere overflod i skovjordens funktionelle profil end i græsarealerne, mens alkaliske fosfataser viste den modsatte tendens. Vi antager, at denne effekt kunne tilskrives forskellen i pH mellem arealanvendelsestyperne, da vi viste, at pH er den bedste forudsigelse for bakteriesamfund. Generne, der koder for urease, var 1,2 gange mere rigelige i græsarealerne. Tilgængeligheden af urinstof var højere i græsarealprøverne, da disse delvist befrugtes med gødning eller gødning eller blev græsset af dyr. Chitinase gener viste også en 1.2 gange højere overflod i græsarealer sammenlignet med skovjord. Dette kan skyldes den højere overflod af Actinobakterier i græsarealer, da denne gruppe er kendt for at have et stort antal chitinase gener35. Gener involveret i polyaromatisk carbonhydrid (PAH, her lignin) nedbrydning er mere rigelige i græsarealer. I skovsystemer udføres denne proces primært af ligninolytiske svampe (hovedsageligt saprotrofiske basidiomycetes), som er i stand til at nedbryde træbiomass36. Methanoldehydrogenase var især mere rigeligt i skovjord. Metanoksidering i skovjord er den største biologiske vask for atmosfærisk methan4 og spiller derfor en kritisk rolle i strømmen af denne drivhusgas. Derudover er lattergasreduktase (N2O), som katalyserer det sidste trin i denitrifikation og reducerer N2O til N2, også mere rigeligt i skovjord (data ikke vist). Disse resultater indikerer, at tempererede skovøkosystemer ikke kun spiller en afgørende rolle i reguleringen og fjernelsen af metan, men også af drivhusgas lattergas.

interessant nok er nitrogenfikseringens nøglesymme, nitrogenasen, mindre rigelig i græsarealer end i skovjord. I denne undersøgelse blev der kun udtaget prøver af bulkjord, og derfor kunne der formodentlig kun påvises fritlevende kvælstoffikserende bakterier. Det er muligt, at kvælstoffiksering af fritlevende bakterier spiller en større rolle i skovsystemer, hvorimod symbiotiske og jordstængler bakterier, som ikke var omfattet af undersøgelsen, udføre størstedelen af kvælstoffiksering i græsarealer systemer.

de opnåede resultater tyder på, at de forskellige arealanvendelser græsarealer og skov ikke kun vælger for forskellige bakteriepopulationer, men også for specifikke funktionelle træk inden for deres bakteriesamfund. Da græsarealer og skove analyseret i denne undersøgelse er langsigtede etablerede systemer, ville det være interessant at vurdere, om en lignende tilpasning også er til stede i yngre systemer.

jordens pH er den bedste forudsigelse for bakteriesamfund

i denne undersøgelse var pH den eneste faktor, der påvirkede bakteriesamfundet uanset sonderende og arealanvendelse. Desuden påvirkede det ikke kun bakteriel samfundsstruktur, men også jordbakteriernes funktionelle profil. Som allerede nævnt viste CCA-analysen, at pH forklarer 26% af den samlede varians i fællesskabsprofilen (supplerende figur S3). Således var pH den stærkeste forudsigelse for bakteriel samfundsstruktur.

vi antog, at bakteriel samfundsstruktur og funktion ville blive formet på en lignende måde. Miljøkorrelationer med den Skatte4fun-afledte funktionelle profil blev testet af NMDS baseret på Bray-Curtis-forskelle (Fig. 4). Resultaterne svarer til dem, der er opnået for samfundsstrukturen. PH spillede en vigtig rolle i udformningen af den funktionelle profil og forklarede 32% af variansen (testet af CCA, P < 0.001, supplerende figur S5). Dette understøtter vores hypotese om, at bakteriesamfundets struktur og funktioner er formet af lignende mekanismer. Den funktionelle profil viste også en adskillelse mellem græsarealer og skovsystemer.

derudover fandt vi, at pH er den stærkeste forudsigelse for jordbakteriel mangfoldighed (P< 0.001, R2 = 0.4) (Fig. 5). Det er allerede vist,at mangfoldigheden af jordbakteriesamfund i udforskere er positivt korreleret med pH9, 22. Vores resultater indikerer imidlertid et mere komplekst forhold mellem pH og mangfoldighed. Mangfoldigheden var lavest ved lav pH, steg derefter og syntes at være stabil mellem pH 5 og 7 og stiger igen under svagt alkaliske forhold. Dette er i modsætning til Fierer og Jackson7 og Lauber et al.8, der beskrev en top af jordbakteriel mangfoldighed i nær neutrale jordarter.