Drivkrefter av jordbakteriell samfunnsstruktur, mangfold og funksjon i tempererte gressletter og skoger

Generelle egenskaper av jordprøvene

Jordprøver viste signifikante forskjeller med hensyn til jordtekstur og edafiske egenskaper (Tabell 1, Supplerende Materialtabeller S1 og S2). Skogsjord var surere, hadde et høyere C: N-forhold og mindre leiremengde enn grasmarkjord. Skogsjordprøver avledet fra de forskjellige undersøkelsene viste betydelige forskjeller i alle målte edafiske egenskaper. De Schorfheide-Chorin skogsjord var mer syre og hadde høyere c:N forholdstall i forhold Til Hainich-Dü og Schw@bische Alb jord, som ikke skiller seg vesentlig. I Tillegg viste Schorfheide-Chorin skogsjord også det laveste gravimetriske vanninnholdet, leire og silt mengden av alle utforskninger.

Jordprøver på Gressletter avledet fra de ulike undersøkelsene viste også betydelige forskjeller mellom alle målte edafiske egenskaper. Hainich-D Hryvn Grasslandsjord hadde de høyeste pH-verdiene, laveste gravimetriske vanninnhold og høyeste silt-mengde sammenlignet Med Schorfheide-Chorin og Schw@bische Alb jord, som ikke skilte seg vesentlig. De Schorfheide-Chorin grasmark jord viste den høyeste C: N forhold og sand mengde i forhold til de to andre exploratories. Leire beløpet var lavest I Schorfheide-Chorin grasmark jord, etterfulgt Av Hainich-Dü jord. De høyeste leirmengdene ble bestemt For Schw@bische Alb grasmark jord. Signifikante forskjeller i jordparametere mellom de ulike styringsregimene ble ikke registrert (ANOVA ,P > 0,5 i alle tilfeller).

jordbakteriesamfunn

Sammensetning og mangfold av jordbakteriesamfunn ble vurdert ved pyrotag-sekvensering AV 16s rRNA-gener. Etter kvalitetsfiltrering, denoising og fjerning av potensielle kimærer og ikke-bakterielle sekvenser ble omtrent 2.700.000 høykvalitets sekvenser med en gjennomsnittlig leselengde på 525 bp oppnådd for videre analyser. Alle sekvenser ble klassifisert under rekke nivå. Basert på rikdom estimator data (Michaelis-Menten fit; Utfyllende Materiale Tabell S3) 78-88% av de operative taksonomiske enhetene (Otuer) ved 80% identitet (rekke nivå) og 27-55% Av Otuene ved 97% identitet (artsnivå) ble dekket av oppmålingsarbeidet (For sjeldningskurver, se Utfyllende Materiale Fiken S1 og S2).

Oppnådde sekvenser gruppert i 203 530 OTUs (97% identitet) og ble tildelt 51 bakterielle phyla, 574 ordrer og 1215 familier. De dominerende phyla-og proteobakterieklassene (>1% av alle sekvenser på tvers av alle prøver) var Aktinobakterier (23,75% ± 8,55%), Alfaproteobakterier (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 gruppene var tilstede i alle prøver og utgjorde mer enn 95% av alle sekvenser analysert i denne studien (Fig. 1). Disse resultatene er i samsvar med tidligere studier på gressletter24 og tempererte bøkeskoger25. Den mest tallrike fylotypen (3.99% ± 2.44) er et ukjent medlem av Undergruppen 6 Av Acidobakteriene. De fem hyppigst forekommende fylotypene som kan tilordnes en slekt, er Bradyrhizobium (2.66% ± 1.45%), Candidatus Solibacter (2.00% ± 1.86%), Haliangium (1.39% ± 0.74%), Variibacter (1.36% ± 0.58%) og Gaiella (1.34% ± 1.31%) av alle sekvenser.

Biogeografiske variasjoner av jordbakteriediversitet og samfunnssammensetning

Mangfold (representert ved Shannon-indeksen H’) og samfunnsstruktur av jordbakterier (PERMANOVA, P < 0,001) skilte seg mellom De Tre Undersøkelsene av Biologisk Mangfold. Hainich-Dü utforskende hadde det mest varierte bakteriesamfunnet (H’ = 10.22) sammenlignet Med Schorfheide-Chorin (H’ = 9.72) og Schw@bische Alb (H’ = 9.92). Videre, grasmark jord er betydelig mer mangfoldig enn skogsjord (H ‘= 10.12 og H’ = 9.48, henholdsvis ,Med P < 0.001), som støtter tidligere funn Av Nacke og kolleger9, som rapporterte at bakterielle samfunn var mer mangfoldig i gressletter på rekke nivå. Da prøver avledet fra skogsjord var surere enn gressmarksprøver (P < 0,001), kan forskjellen i pH forklare forskjellen i mangfold (Tabell 1).

de mest dominerende bakterielle ordrene i det komplette datasettet varierte i fordelingen mellom de tre undersøkelsene. Disse forskjellene oppsto sannsynligvis fra forskjeller i edafiske egenskaper i utforskningene. DERFOR testet VI for korrelasjon av miljøfaktorer VED NMDS analyse basert På bray-Curtis ulikheter. Montering av edafiske egenskaper til ordinasjonen avslørte pH som den sterkeste driveren i samfunnet. Ytterligere kanonisk korrespondanseanalyse (CCA) ved bruk av pH som begrensning viste at pH forklarer 26% av variasjonen i fellesskapsstrukturen(P < 0,001, Supplerende Figur S3). Vi fant i tillegg en separasjon av jordbakteriesamfunn ved prøvetaking region (PERMANOVA ,P < 0.001) og de to arealbrukstypene gressletter og skog (PERMANOVA, P < 0.001) (Supplerende Figur S4). Derfor var vi interessert i en detaljert analyse av faktorene som driver endringene i strukturen av bakterielle samfunn i hver utforskende. Vi deler videre dataene mellom gressletter og skoger på grunn av den sterke separasjonen mellom samfunnsstrukturen til begge arealbrukstyper.

viktige drivere av bakterielle samfunn

for å identifisere de viktigste driverne for jordbakteriell samfunnsstruktur for hver arealbrukstype i hver utforskende, utførte VI NMDS-analyse for de seks undergruppene. Jordens pH var den eneste egenskapen, som påvirket samfunnsstrukturen i hver delmengde (Fig. 2). En annen egenskap som påvirket samfunnsstrukturen i gressletter og skoger var jordtekstur (mengde leire, sand og/eller silt), som representerer porestørrelse, vann-og gassfluss og næringsstofftilgjengelighet26, 27. Videre er jordtekstur viktig for nisjeseparasjon og beskyttelse mot predasjon28.

I gressletter påvirket C:N-forholdet bakteriesamfunnsstrukturen i Schw@bische Alb Og Schorfheide-Chorin, men ikke I Hainich-Dü. Dette støttes av EN PFLA – basert studie på jordbakteriesamfunn, hvor edafiske egenskaper som jordtekstur, pH og C og n-konsentrasjon var involvert i strukturering av jordbakteriesamfunn10. Arealbruksintensitetsindeksen (LUI) var bare korrelert med Schw@bische Alb grasmark samfunnet. IMIDLERTID står LUI bare for beløpet og ikke for kilden til befruktning. I Schw@bische Alb-gresslettene mottok de fleste tomter organisk gjødsel (gjødsel, gjødsel), mens befruktning I Hainich-Dü og Schorfheide-Chorin var dominerende ved bruk av mineralgjødsel. Disse funnene støtter en nylig studie, hvor jordmikrobielle samfunn av oppdrettssystemer som mottar organisk gjødsel, var forskjellige sammenlignet med konvensjonelle, mineralt befruktede systemer og kontrolljord29. I samråd Med Geisseler Og Scow30 ble det ikke funnet klare trender som tyder på bakterielle samfunnsstrukturskift på grunn av langsiktig mineralgjødsel.

i skogsjord var treslagene korrelert med bakteriell samfunnsstruktur i alle utforskninger, mens silvicultural management index (SMI)bare påvirket samfunnsstrukturen i Schorfheide-Chorin (Fig. 2). Jordbakteriesamfunn under bredbladet (Fagus Og Quercus) og nåletrær (Pinus og Picea) dannet forskjellige mønstre. Dette er i samsvar med resultatene fra tidligere studier9, 20. Nacke et al.9 analyserte en undergruppe av jordprøver avledet Fra Schw@bische Alb og fant at bakteriesamfunnsstrukturen var forskjellig under bøk (Fagus) og gran (Picea). Dette stemmer overens med en studie som sammenligner bakteriesamfunn under barskog og bredbladet trær20. Vi observerte ingen forskjell mellom de to bredbladede treslagene, selv om forskjeller i jordsamfunnsstruktur mellom bredbladede trær har blitt beskrevet For Fagus versus Tilia og Acer31. Disse effektene kan delvis skyldes redusert jordforsuring og høyere omsetning av bladkullet Tilia og Acer32. Bartrær treslag som gran (Picea abies) og furu (Pinus sylvestris) er kjent for å betydelig redusere jord pH (anmeldt i ref. 33) på grunn av den spesielle kjemiske strukturen av eviggrønne søppel eller fangst av atmosfæriske sure forbindelser34. Dette vil resultere i en indirekte pH-effekt på jordbakterier. I tillegg kan dette være en av grunnene til at treslag spiller en viktig rolle i strukturering av bakteriesamfunn i alle analyserte skogsprøver.ifølge vår hypotese om at bakteriesamfunnsstruktur og mangfold ville bli påvirket på lignende måter under samme arealbruk, sammenlignet vi bakteriediversiteten, representert Ved Shannon-indeksen (H’), mellom de ulike forvaltningsregimene (Supplerende Materialtabell S4). Forskjeller i mangfold ble påvist for treslagene I Schwarzebische Alb og Schorfheide-Chorin.

Interessant, forvaltningsregimer i gressletter (eng, beite, klippet beite) og skog (ustyrt skog, alder lass skog, utvalg skog) viste ingen signifikant effekt på bakteriell mangfold (PERMANOVA ,P < 0,05). Dette er i motsetning Til En tidligere Studie Av Will et al.22, som fant en høyere bakteriell mangfold i grasmark jord med lav arealbruk intensitet I Hainich-Dü. I motsetning, Tardy et al.17 undersøkte bakteriediversitet langs gradienter av arealbruksintensitet og observert det høyeste bakterielle mangfoldet i moderat administrerte jordarter. Forfatterne antyder at denne effekten er relatert til stressresponsen til bakteriesamfunnet. I svært belastede miljøer, som under høy arealbruksintensitet, reduseres mangfoldet på grunn av dominans av konkurransedyktige arter og konkurransedyktig utestenging, mens i ubelastede miljøer reduseres mangfoldet på grunn av dominans av tilpassede arter gjennom utvalg. I samsvar med vår hypotese kan vi finne jordforhold som pH som konsekvent driver bakteriell samfunnsstruktur samt mangfold, mens forvaltningsregimer og derfor arealbruksintensitet ikke har noen vesentlig innflytelse. I tillegg kan vi vise at pH er den beste prediktoren for bakterielle samfunn.

Bakteriell funksjon i grasmark og skogsjord

vi hypoteser videre at bakteriell funksjon ble drevet på samme måte som bakteriell samfunnsstruktur og mangfold. For å klargjøre denne hypotesen fokuserte vi på veier involvert i sykling av karbon, nitrogen, fosfor og svovel (Fig. 3) og sammenlignet de relative overflodene av nøkkelenzymkodende gener mellom de to landbrukene gressletter og skog. Overflodene av enzymkodende gener ble avledet fra et nytt bioinformatisk verktøy Taxa4Fun23. Tax4Fun forvandler SILVA-baserte OTUs i en taksonomisk profil AV kegg organismer, som er normalisert AV 16s rRNA kopi nummer (hentet fra NCBI genom merknader). Som jord havn ukjente eller ukultiverte organismer, ikke alle 16s sekvenser kan kartlegges TIL KEGG organismer. Spearman korrelasjonsanalyse av funksjonelle profiler avledet fra hele metagenom sekvensering og profiler utledet FRA 16s rRNA gensekvenser viste en median av korrelasjonskoeffisienten på 0,8706 for jord23. Dette indikerte At Tax4Fun gir en god tiln rming til funksjonelle profiler oppnadd fra metagenomic shotgun sekvensering tilnærminger. Dette er spesielt verdifullt å utlede funksjonelle profiler for et stort antall prøver avledet fra komplekse miljøer, som å oppnå representativ dekning for hver prøve av en stor prøve satt av metagenome hagle sekvensering ville være en skremmende oppgave.

de fleste nøkkelenzymkodende gener involvert i sykling Av C, N, S og P er enten mer rikelig i gressletter eller skogsjord (Mann-Whitney test, P < 0,05, Supplerende Materialtabell S5). For eksempel ble gener som koder for sure fosfataser observert ved 1.4 ganger høyere forekomst i den funksjonelle profilen av skogsjord enn i grasmark jord, mens alkaliske fosfataser viste motsatt trend. Vi antar at denne effekten kan tilskrives forskjellen i pH mellom arealbrukstypene, da vi viste at pH er den beste prediktoren for bakterielle samfunn. Genene som koder for urease var 1,2 ganger mer rikelig i gressletten. Tilgjengeligheten av urea var høyere i gresslettene, da disse delvis er befruktet med gjødsel eller gjødsel eller ble beite av dyr. Chitinase gener viste også en 1.2 ganger høyere overflod i gressletter sammenlignet med skogsjord. Dette kan skyldes høyere overflod Av Actinobacteria i grasmark jord, da denne gruppen er kjent for å ha et høyt antall chitinase genes35. Gener involvert i polyaromatisk hydrokarbon (PAH, her lignin) nedbrytning er mer rikelig i gressletter. I skogsystemer utføres denne prosessen primært av ligninolytiske sopp (hovedsakelig saprotrofiske basidiomyceter), som er i stand til å nedbryte trebiomass36. Et viktig enzym for aerob metanoksidasjon, metanol dehydrogenase, var spesielt mer rikelig i skogsjord. Metanoksidasjon i skogsjord er den største biologiske vasken for atmosfærisk metan4 og spiller derfor en kritisk rolle i strømmen av denne drivhusgassen. I tillegg er nitrogenoksid (N2O) reduktase, som katalyserer det siste trinnet i denitrifisering og reduserer N2O Til N2, også mer rikelig i skogsjord (data ikke vist). Disse resultatene indikerer at tempererte skogsøkosystemer ikke bare spiller en avgjørende rolle i regulering og fjerning av metan, men også av drivhusgassen nitrogenoksid.

Interessant er nøkkelenzymet for nitrogenfiksering, nitrogenasen, mindre rikelig i gressletter enn i skogsjord. I denne studien ble bare bulkjord samplet og derfor antagelig bare fritt levende nitrogenfikserende bakterier kunne detekteres. Det er mulig at nitrogenfiksering av frie levende bakterier spiller en større rolle i skogsystemer, mens symbiotiske og rhizosfæriske bakterier, som ikke var dekket av studien, utfører hoveddelen av nitrogenfiksering i gresslettsystemer.de oppnådde resultatene tyder på at de forskjellige landbrukene bruker gressmark og skog ikke bare velger for forskjellige bakteriepopulasjoner, men også for spesifikke funksjonelle egenskaper innenfor deres bakterielle samfunn. Som gressletter og skoger analysert i denne studien er langsiktige etablerte systemer, ville det være interessant å vurdere om en lignende tilpasning også er tilstede i yngre systemer.

Jord pH er den beste prediktor for bakterielle samfunn

i denne studien var pH den eneste faktoren som påvirket bakteriesamfunnet uavhengig av utforskende og arealbruk. Videre påvirket det ikke bare bakteriell samfunnsstruktur, men også den funksjonelle profilen til jordbakteriene. SOM allerede nevnt viste CCA-analyse at pH forklarer 26% av total varians I fellesskapsprofilen (Supplerende Figur S3). Dermed var pH den sterkeste prediktoren for bakteriell samfunnsstruktur.

vi antydet at bakteriell samfunnsstruktur og funksjon ville bli formet på en lignende måte. Miljø korrelasjoner Med Tax4Fun-avledet funksjonell profil ble testet AV NMDS basert På bray-Curtis ulikheter (Fig. 4). Resultatene ligner de som er oppnådd for samfunnsstrukturen. PH spilte en viktig rolle i utformingen av funksjonell profil og forklarte 32% av variansen (testet AV CCA ,P < 0,001, Supplerende Figur S5). Dette støtter vår hypotese at struktur og funksjoner av bakterielle samfunn er formet av lignende mekanismer. Den funksjonelle profilen viste også et skille mellom grasmark og skogsystemer.

I Tillegg fant vi at pH er den sterkeste prediktor for jordbakteriediversitet (P < 0,001, R2 = 0.4) (Fig. 5). Det har allerede vist seg at mangfoldet av jordbakteriesamfunn i utforskningene er positivt korrelert med pH9,22. Resultatene våre indikerer imidlertid et mer komplekst forhold mellom pH og mangfold. Mangfoldet var lavest ved lav pH, deretter økt og syntes å være stabil mellom pH 5 og 7 og øker igjen under svakt alkaliske forhold. Dette er i kontrast Til Fierer Og Jackson7 og Lauber et al.8, som beskrev en topp av jordbakteriell mangfold i nær nøytral jord.

Multinomiale regresjonsmodeller avslørte flere responser av bakterielle ordrer til jord pH

for bedre å forstå det komplekse forholdet mellom enkeltbakteriegrupper og jord pH, brukte vi multinomiale regresjonsmodeller på de 30 mest omfattende ordrene I datasettet (Supplerende Materialfigur S6). Fire generelle responser ble observert: (1) reduksjon i overflod med økende pH (Acidobacteriales, acidobacterial subgroup 3, Frankiales, Corynebacteriales), (2) økning i overflod med økende pH (acidobacterial subgroup 6, Gaiellales, Acidimicrobiales, Propionibacteriales), (3) smalt pH-område med høy overflod (Rhizobiales, Rhodospirillales) og (4) relativt konstant overflod over pH-området (Bacillales, Gemmatimonadales, Sphingobacteriales) (Fig. 6). Austin og Smith37 beskrev pH som en direkte fysiologisk gradient som virker på organismer, noe som resulterte i unimodale eller skjeve unimodale responskurver begrenset av vekstbegrensende forhold i den ene enden og konkurranse i den andre enden. Dette støttes av vår observasjon av få svært rikelig ordrer ved lav pH og mange mindre rikelig ordrer i nær nøytral jord. Evnen til å vokse ved lave pH-verdier er kjent som atr (acid tolerance response) og gir en konkurransefortrinn sammenlignet med andre bakterier i jord.

for å teste hvilke mekanismer som er involvert i syretoleranse for jordbakterier, valgte vi de genene som ble rapportert å være involvert i syretoleranse i Rhizobia38 og Gram positive bakterier39 som var tilstede i den funksjonelle profilen. I tillegg analyserte vi generene som er tilstede AV kegg-banen for biosyntese av umettede fettsyrer (ko01040) samt 3-trans-2-decenoylisomerase. Dette enzymet er involvert i generering av umettede fettsyrer og ble vist å øke syretoleransen I Streptococcus mutans ved å endre cellemembransammensetning40. Vi fant at genene for biosyntese av umettede fettsyrer var svært rikelig i lave pH-prøver (pH 3-4), mens decenoylisomerase ikke fulgte denne trenden(Fig. 7). Derfor kan dette genet ikke være generelt involvert i syretoleranse i jord. I tillegg var de fleste gener involvert i alkali-produksjon, to komponentsystemer og reparasjon av makromolekyler mer rikelig i de lave pH-prøvene sammenlignet med mer nøytrale prøver. Flere gener involvert I DNA-reparasjon var sannsynligvis også involvert i ATR av jordbeboende bakterier, samt levansukrase, et gen involvert i biofilmdannelse. Våre resultater tyder på at bakterier kan bruke en aktiv mekanisme for å takle stressende pH-forhold. Alkali produksjon øker pH i nærmiljøet, bedre bakteriell overlevelse sjansene. I tillegg beskytter makromolekylære reparasjonsenzymer OG reparerer DNA og proteiner, og bakterier ser ut til å øke pH-toleransen ved å endre celleveggkomponentene eller beskytte seg selv i biofilmer.