a talaj baktériumközösségének szerkezetének, sokféleségének és funkciójának hajtóerői mérsékelt égövi gyepekben és erdőkben

A talajminták általános jellemzői

a talajminták jelentős különbségeket mutattak a talajszerkezet és az edafikus tulajdonságok tekintetében (1.táblázat, S1 és S2 kiegészítő Anyagtáblázatok). Az erdei talajok savasabbak voltak, magasabb volt a C: N arány és kisebb agyagos mennyiség, mint a gyepes talajok. A különböző felfedezőkből származó erdei talajminták szignifikáns különbségeket mutattak az összes mért edafikus tulajdonságban. A Schorfheide-Chorin erdei talajok több sav magasabb a C:N arány képest a Hainich-Dün, valamint Schwäbische Alb talajok, amelyek nem térnek el jelentősen. Emellett a Schorfheide-Chorin erdei talajok is a legalacsonyabb gravimetrikus víztartalommal, agyaggal és iszapmennyiséggel rendelkeztek az összes felfedezőhely közül.

a különböző feltárókból származó gyepes talajminták szintén jelentős különbségeket mutattak az összes mért edafikus tulajdonság között. A Hainich-Dün füves talaj volt a legmagasabb pH-értékek, a legalacsonyabb gravimetrikus víztartalom legmagasabb, iszap összeg ahhoz képest, hogy a Schorfheide-Chorin, valamint Schwäbische Alb talaj, amely nem tér el jelentősen. A Schorfheide-Chorin füves talajok a legmagasabb C:N arányt és homokmennyiséget mutatták a másik két feltáróhoz képest. Az agyag mennyisége a Schorfheide-Chorin füves talajokban volt a legalacsonyabb, ezt követte a Hainich-D ons talajok. A legnagyobb agyagmennyiséget a Schw Enterprische Alb füves talajok esetében határozták meg. A talajparaméterekben a különböző gazdálkodási rendszerek között nem regisztráltak jelentős különbségeket (ANOVA, P > 0,5 minden esetben).

talaj baktériumközösségek

a talaj baktériumközösségeinek összetételét és sokféleségét 16S rRNS gének pirotag szekvenálásával vizsgáltuk. A potenciális kimérák és nem bakteriális szekvenciák minőségi szűrése, denoizálása és eltávolítása után körülbelül 2 700 000 kiváló minőségű szekvenciát kaptunk, amelyek átlagos olvasási hossza 525 bp volt a további elemzésekhez. Az összes szekvenciát a menedékjog szintje alá soroltuk. Gazdagságbecslő adatok alapján (Michaelis-Menten fit; Kiegészítő anyag táblázat S3) az operatív rendszertani egységek (Otu-k) 78-88% – át 80% – os Azonosság (törzsszint) mellett és az Otu-k 27-55% – át 97% – os Azonosság (fajszint) mellett lefedték a felmérési erőfeszítések (a ritkulási görbékről lásd Az S1 és S2 Kiegészítő anyag ábrát).

a kapott szekvenciákat 203 530 OTUs-ba csoportosították (97% – os Azonosság), és 51 baktériumtörzshez, 574 rendhez és 1215 családhoz rendelték. A domináns phyla és proteobaktérium osztályok (>az összes minta szekvenciájának 1% – A) az Aktinobaktériumok (23, 75%, 8, 55%), Az Alfaproteobaktériumok (20.43%, 5,21%), Acidobaktériumok (18,39%, 9,19%), Deltaproteobaktériumok (7,22%, 2,84%). Bacteroidetes (5.15% ± 2.60%), Chloroflexi (5.09% ± 2.10%), Betaproteobacteria (4.64% ± 2.38%), Gammaproteobacteria (4.32% ± 1,23% – Át), Gemmatimonadetes (1.88% ± 0.92%), Firmicutes (1.18% ± 3.20%), valamint Nitrospirae (1.14% ± 1.10%). Ezek a filogenetikai csoportok minden mintában jelen voltak, és az ebben a vizsgálatban elemzett összes szekvencia több mint 95% – át tették ki (ábra. 1). Ezek az eredmények összhangban vannak a gyepek24 és a mérsékelt égövi bükkösök25 korábbi vizsgálataival. A leggyakoribb filotípus (3,99% 6.44) Az Acidobaktériumok 6. alcsoportjának kulturálatlan tagja. A nemzetség öt leggyakoribb filotípusa a Bradyrhizobium (2,66% 6,45%), Candidatus Solibacter (2,00% 1,86%), Haliangium (1,39% 0,74%), Variibacter (1,36% 0,58%) és Gaiella (1,34% 1,31%).

a talaj bakteriális sokféleségének és a közösség összetételének biogeográfiai változatai

a sokféleség (amelyet a Shannon index h’ képvisel) és a talajbaktériumok közösségi szerkezete (PERMANOVA, P < 0.001) különbözött a három biodiverzitási feltáró között. A Hainich-D Exploratory (H’ = 10,22) a Schorfheide-Chorinhoz (H’ = 9,72) és a Schw ons-hez (H’ = 9,92) hasonlította a legkülönbözőbb baktériumközösséget (h ‘ = 1,92). Ezenkívül a gyeptalajok lényegesen változatosabbak, mint az erdei talajok (H’ = 10,12 és H’ = 9,48, p < 0,001), ami alátámasztja a Nacke és kollégái9 korábbi megállapításait, akik arról számoltak be, hogy a baktériumközösségek változatosabbak voltak a gyepeken a menedékjog szintjén. Mivel az erdei talajokból származó minták savasabbak voltak, mint a gyepes talajminták (P < 0,001), a pH-különbség magyarázhatja a sokféleség különbségét (1.táblázat).

a teljes adatkészlet legdominánsabb baktériumrendjei eloszlásukban különböztek a három feltáró között. Ezek a különbségek nagy valószínűséggel a felfedezők edafikus tulajdonságainak különbségeiből adódtak. Ezért teszteltük a környezeti tényezők korrelációját a Bray-Curtis eltéréseken alapuló nmds elemzéssel. Az edáfi tulajdonságoknak az ordinációhoz való igazítása feltárta a pH-t, mint a közösség legerősebb mozgatórugóját. További kanonikus levelezési elemzés (CCA), amely a pH-t korlátozza, azt mutatta, hogy a pH magyarázza a közösségi struktúra változásának 26% – át (P < 0,001, S3 kiegészítő ábra). Ezenkívül a talaj baktériumközösségeinek mintavételi régió (PERMANOVA, P < 0.001) és a két földhasználati típus, a gyepterület és az erdő (PERMANOVA, P < 0.001) szerinti szétválasztását is megállapítottuk (S4 kiegészítő ábra). Ezért érdeklődtünk azon tényezők részletes elemzésében, amelyek a baktériumközösségek szerkezetében bekövetkező változásokat vezérlik az egyes feltárókban. Az adatokat tovább osztottuk a gyepek és az erdők között, mivel mindkét földhasználati típus közösségi szerkezete erősen elkülönül egymástól.

A baktériumközösségek legfontosabb mozgatórugói

a talaj baktériumközösségének legfontosabb mozgatórugóinak azonosítása az egyes földhasználati típusok esetében az egyes feltárásokban NMDS-elemzést végeztünk a hat részhalmazra vonatkozóan. A talaj pH-ja volt az egyetlen tulajdonság, amely az egyes részhalmazokban befolyásolta a közösség szerkezetét (ábra. 2). A gyepek és erdők közösségi szerkezetét befolyásoló másik tulajdonság a talaj szerkezete (agyag, homok és/vagy iszap mennyisége) volt, amely a pórusok méretét, a víz-és gázáramokat, valamint a tápanyagok rendelkezésre állását jelenti26,27. Ezenkívül a talaj szerkezete fontos a réseltávolítás és a ragadozástól való védelem szempontjából28.

a füves talajokban a C:N arány befolyásolta a baktériumközösség szerkezetét a Schw Xhamsterbische Alb-ben és a Schorfheide-Chorin-ban, de a Hainich-D-ben nem. Ezt támasztja alá a talaj baktériumközösségein végzett PFLA-alapú tanulmány, amelyben az edafikus tulajdonságok, mint a talaj textúrája, a pH, valamint a C és N koncentráció szerepet játszottak a talaj baktériumközösségeinek strukturálásában10. A földhasználati intenzitási index (LUI) csak a Schwaily-vel volt korrelálbische Alb legelőközösség. A LUI azonban csak az összeget számolja el, a megtermékenyítés forrását nem. A Schweciklubische Alb füves területeken a legtöbb terület szerves trágyát kapott (trágya, trágya), míg a Hainich-D. D. és a Schorfheide-Chorin-I trágyázást az ásványi trágya kijuttatása dominálta. Ezek az eredmények alátámasztanak egy nemrégiben készült tanulmányt, amelyben a szerves trágyát kapó gazdálkodási rendszerek talajmikrobiális közösségei különböztek a hagyományos, ásványi úton megtermékenyített rendszerekétől és az ellenőrző talajokétól29. A Geisselerrel és a Scow-val egyetértésben30 Nem találtunk egyértelmű tendenciákat, amelyek arra utalnának, hogy a baktériumok közössége hosszú távú ásványi trágya kijuttatás miatt strukturális elmozdulásokat mutat.

az erdei talajokban a fafajok korreláltak a bakteriális közösségi struktúrával az összes feltáróban, míg az erdészeti gazdálkodási index (SMI) csak jelentősen befolyásolta a Schorfheide-Chorin közösségi szerkezetét (ábra. 2). A lomblevelű (Fagus és Quercus) és a tűlevelű (Pinus és Picea) fák alatt a talaj baktériumközösségei különböző mintázatokat alakítottak ki. Ez összhangban van a korábbi tanulmányok eredményeivel9,20. Nacke et al.9 elemezte a Schw 6bische Alb-ból származó talajminták egy részét, és megállapította, hogy a baktériumok közössége eltérő volt a Bükk (Fagus) és a lucfenyő (Picea) alatt. Ez összhangban van egy olyan vizsgálattal, amely a tűlevelű és lomblevelű fák baktériumközösségeit hasonlította össze20. Nem figyeltünk meg különbséget a két lomblevelű fafaj között, bár a Fagus versus Tilia és az Acer31 esetében a lomblevelű fák talajközösségi szerkezetének különbségeit írták le. Ezek a hatások részben a Tilia és az Acer32 levélszemét csökkent talajsavasodásának, valamint a nagyobb forgalomnak tudhatók be. A tűlevelű fafajokról, mint a lucfenyő (Picea abies) és a fenyő (Pinus sylvestris) ismert, hogy jelentősen csökkentik a talaj pH-ját (lásd ref. 33) az örökzöld alom különleges kémiai szerkezete vagy a légköri savas vegyületek befogása34 miatt. Ez közvetett pH-hatást eredményezne a talaj baktériumaira. Ezenkívül ez lehet az egyik oka annak, hogy a fafajok fontos szerepet játszanak a baktériumközösségek strukturálásában az összes elemzett erdőmintában.

azon hipotézisünk alapján, hogy a bakteriális közösség szerkezetét és sokféleségét hasonló módon befolyásolná ugyanaz a földhasználat, összehasonlítottuk a bakteriális sokféleséget, amelyet a Shannon index (H’) képvisel, a különböző kezelési rendszerek között (S4 kiegészítő Anyagtábla). A fafajok sokféleségének különbségeit a Schw 6bische Alb és a Schorfheide-Chorin fafajok esetében észlelték.

érdekes módon a gyepek (rét, legelő, kaszált legelő) és az erdők (nem kezelt erdő, kor-lass erdő, szelekciós erdő) gazdálkodási rendszerei nem mutattak jelentős hatást a baktériumok sokféleségére (PERMANOVA, P < 0.05). Ez ellentétben áll Will et al.22, a who magasabb bakteriális sokféleséget talált az alacsony földhasználati intenzitású füves talajokban a Hainich-D-ben. Ellentétben, Tardy et al.17 a baktériumok sokféleségét a földhasználat intenzitásának gradiensei mentén vizsgálták, és a mérsékelten kezelt talajokban figyelték meg a legnagyobb bakteriális sokféleséget. A szerzők azt sugallják, hogy ez a hatás összefügg a bakteriális közösség stresszválaszával. Az erősen megterhelt környezetben, mint a magas földhasználati intenzitás mellett, a sokféleség csökken a versenyképes Fajok dominanciája és a versenyképes kirekesztés miatt, míg a hangsúlytalan környezetben a sokféleség csökken az adaptált Fajok dominanciája miatt a szelekció révén. Hipotézisünknek megfelelően olyan talajviszonyokat találhatunk, mint a pH, amelyek következetesen vezérlik a baktériumok közösségi szerkezetét, valamint a sokféleséget, miközben a gazdálkodási rendszereknek és ezért a földhasználat intenzitásának nincs jelentős hatása. Ezenkívül megmutathatjuk, hogy a pH a baktériumközösségek legjobb előrejelzője.

bakteriális működés legelőkön és erdei talajokon

azt is feltételeztük, hogy a bakteriális működést hasonló módon vezérelték, mint a bakteriális közösség szerkezetét és sokféleségét. Ennek a hipotézisnek a tisztázása érdekében a szén, a nitrogén, a foszfor és a kén körforgásában részt vevő utakra összpontosítottunk (ábra. 3) és összehasonlította a kulcsfontosságú enzimkódoló gének relatív bőségét a két földterület között, gyepet és erdőt használ. Az enzimkódoló gének bőségét egy új bioinformatikus eszközből származtattuk Taxa4Fun23. A Tax4Fun átalakítja a SILVA-alapú OTUs-t a Kegg organizmusok taxonómiai profiljává, amelyet a 16S rRNS kópiaszám normalizál (NCBI Genom annotációkból nyert). Mivel a talajok ismeretlen vagy kulturálatlan organizmusokat tartalmaznak, nem minden 16S szekvenciát lehet leképezni KEGG organizmusokra. A teljes metagenom szekvenálásból származó funkcionális profilok és a 16S rRNS génszekvenciákból levezetett profilok Spearman-korrelációs elemzése a talajok 0,8706 korrelációs együtthatójának mediánját tárt fel23. Ez azt jelezte, hogy a Tax4Fun jó közelítést nyújt a metagenomikus sörétes szekvenálási megközelítésekből nyert funkcionális profilokhoz. Ez különösen értékes a komplex környezetekből származó nagyszámú minta funkcionális profiljainak levezetésére, mivel a metagenome shotgun szekvenálásával beállított nagy minta minden egyes mintájának reprezentatív lefedettségének elérése ijesztő feladat lenne.

A C, N, S és P ciklusában részt vevő kulcsfontosságú enzimkódoló gének többsége vagy a legelőkön vagy az erdei talajokon fordul elő (Mann-Whitney teszt, P < 0.05, Kiegészítő anyag táblázat S5). Például, a savas foszfatázokat kódoló géneket a 1.Az erdei talajok funkcionális profiljában 4-szer nagyobb az abundancia, mint a gyepes talajokban, míg az alkalikus foszfatázok ellentétes tendenciát mutattak. Feltételezzük, hogy ez a hatás a földhasználati típusok közötti pH-különbségnek tulajdonítható, mivel megmutattuk, hogy a pH a legjobb előrejelző a baktériumközösségek számára. Az ureázt kódoló gének 1,2-szer nagyobb mennyiségben voltak jelen a gyepen. A karbamid elérhetősége magasabb volt a gyepmintákban, mivel ezeket részben trágyával vagy trágyával trágyázták, vagy állatok legelték. A kitináz gének a-t is mutattak 1.A gyepekben 2-szer nagyobb a bőség az erdei talajokhoz képest. Ennek oka lehet az Aktinobaktériumok nagyobb bősége a gyepes talajokban, mivel ez a csoport köztudottan nagyszámú kitinázgént tartalmaz35. A poliaromatikus szénhidrogén (PAH, itt lignin) lebomlásában részt vevő gének bőségesebbek a gyepekben. Erdészeti rendszerekben ezt a folyamatot elsősorban ligninolitikus gombák (főleg szaprotróf basidiomycetes) hajtják végre, amelyek képesek lebontani a fa biomasszát36. Az aerob metán oxidációjának egyik kulcsfontosságú enzimje, a metanol-dehidrogenáz, az erdei talajokban lényegesen nagyobb volt. Az erdei talajokban a metán oxidációja a légköri metán legnagyobb biológiai mosogatója4, ezért kritikus szerepet játszik ezen üvegházhatású gázok áramlásában. Ezenkívül a dinitrogén-oxid (N2O) reduktáz, amely katalizálja a denitrifikáció utolsó lépését és az N2O-t N2-re redukálja, szintén bővelkedik az erdei talajokban (az adatok nem szerepelnek). Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a mérsékelt égövi erdők ökoszisztémái nemcsak a metán szabályozásában és eltávolításában játszanak döntő szerepet, hanem az üvegházhatású gázok dinitrogén-oxidjában is.

érdekes módon a nitrogénkötés kulcsenzimje, a nitrogenáz, kevésbé bőséges a gyepekben, mint az erdei talajokban. Ebben a tanulmányban csak ömlesztett talajból vettek mintát, ezért feltehetően csak szabadon élő nitrogénmegkötő baktériumokat lehetett kimutatni. Lehetséges, hogy a szabadon élő baktériumok nitrogénmegkötése nagyobb szerepet játszik az erdőrendszerekben, míg a szimbiotikus és rizoszférikus baktériumok, amelyekre a vizsgálat nem terjedt ki, a nitrogénmegkötések nagy részét a gyeprendszerekben végzik.

a kapott eredmények azt sugallják, hogy a különböző földterületek gyepeket és erdőket használnak nemcsak a különböző baktériumpopulációk számára, hanem a baktériumközösségeik sajátos funkcionális tulajdonságaira is. Mivel a jelen tanulmányban elemzett gyepek és erdők hosszú távon kialakult rendszerek, érdekes lenne értékelni, hogy hasonló adaptáció van-e jelen a fiatalabb rendszerekben is.

A talaj pH-ja a legjobb előrejelzője a baktériumközösségeknek

jelen tanulmányban a pH volt az egyetlen tényező, amely befolyásolta a baktériumközösséget, függetlenül a feltáró és a földhasználattól. Ezenkívül nemcsak a bakteriális közösség szerkezetét, hanem a talajbaktériumok funkcionális profilját is befolyásolta. Mint már említettük, a CCA elemzés kimutatta, hogy a pH a közösségi profil teljes varianciájának 26% – át magyarázza (S3 kiegészítő ábra). Így a pH volt a legerősebb előrejelzője a bakteriális közösség szerkezetének.

feltételeztük, hogy a baktériumok közösségének szerkezete és működése hasonló módon alakul. A Tax4Fun eredetű funkcionális profillal való környezeti összefüggéseket NMDS tesztelte Bray-Curtis különbségek alapján (ábra. 4). Az eredmények hasonlóak a közösségi struktúra esetében kapott eredményekhez. A pH fontos szerepet játszott a funkcionális profil alakításában, és megmagyarázta a variancia 32% – át (tesztelve: CCA, P < 0,001, kiegészítő ábra S5). Ez alátámasztja azt a hipotézisünket, hogy a baktériumközösségek szerkezetét és funkcióit hasonló mechanizmusok alakítják. A funkcionális profil a gyepterületek és az erdőrendszerek elkülönülését is megmutatta.

ezenkívül azt találtuk, hogy a pH a talaj bakteriális sokféleségének legerősebb előrejelzője (P < 0,001, R2 = 0.4) (ábra. 5). Már kimutatták, hogy a talaj baktériumközösségeinek sokfélesége a felfedezőkben pozitívan korrelál a pH9,22-vel. Eredményeink azonban összetettebb kapcsolatot mutatnak a pH és a sokféleség között. A sokféleség alacsony pH mellett volt a legalacsonyabb, majd nőtt, és a pH 5 és 7 között stabilnak tűnt, majd enyhén lúgos körülmények között ismét emelkedett. Ez ellentétben áll Fierer és Jackson7 és Lauber et al.8, aki a talaj bakteriális sokféleségének csúcsát írta le a semleges talajok közelében.