forțele motrice ale solului structura comunității bacteriene, diversitatea și funcția în pajiștile și pădurile temperate

caracteristicile generale ale probelor de sol

probele de sol au arătat diferențe semnificative în ceea ce privește textura solului și proprietățile edafice (Tabelul 1, tabelele de materiale suplimentare S1 și s2). Solurile forestiere erau mai acide, aveau un raport C:N mai mare și o cantitate mai mică de argilă decât solurile de pajiști. Probele de sol forestier derivate din diferitele exploratoare au prezentat diferențe semnificative în toate proprietățile edafice măsurate. Solurile forestiere Schorfheide-Chorin au fost mai acide și au avut raporturi C:N mai mari în comparație cu solurile Hainich-D și Schwartbische alb, care nu au diferit semnificativ. În plus, solurile forestiere Schorfheide-Chorin au prezentat, de asemenea, cel mai mic conținut gravimetric de apă, argilă și nămol dintre toate exploratoarele.

probele de sol de pășune derivate din diferitele exploratoare au prezentat, de asemenea, diferențe semnificative între toate proprietățile edafice măsurate. Solul din pajiștile Hainich-D A avut cele mai ridicate valori ale pH-ului, cel mai scăzut conținut de apă gravimetrică și cea mai mare cantitate de nămol în comparație cu solul Schorfheide-Chorin și Schwartbische alb, care nu diferă semnificativ. Solurile de pajiști Schorfheide-Chorin au prezentat cel mai mare raport C:N și cantitatea de nisip în comparație cu celelalte două exploratoare. Cantitatea de argilă a fost cea mai mică în solurile de pășune Schorfheide-Chorin, urmate de solurile Hainich-D-N. Cele mai mari cantități de argilă au fost determinate pentru solurile de pășune Schwiftbische Alb. Diferențe semnificative în parametrii solului între diferitele regimuri de gestionare nu au fost înregistrate (ANOVA, p > 0,5 în toate cazurile).

comunitățile bacteriene din sol

compoziția și diversitatea comunităților bacteriene din sol au fost evaluate prin secvențierea pirotag a genelor ARNr 16S. După filtrarea, denoizarea și îndepărtarea potențialelor himere și secvențe non-bacteriene, au fost obținute aproximativ 2.700.000 de secvențe de înaltă calitate cu o lungime medie de citire de 525 bp pentru analize suplimentare. Toate secvențele au fost clasificate sub nivelul filului. Pe baza datelor estimatorului bogăției (Michaelis-Menten fit; Tabelul de materiale suplimentare S3) 78-88% din unitățile taxonomice operaționale (Otu) la 80% identitate (nivel filum) și 27-55% din Otu la 97% identitate (nivel specie) au fost acoperite de efortul de topografie (pentru curbele de rarefiere, a se vedea materialul suplimentar figurile S1 și S2).

au obținut secvențe grupate în 203.530 Otu (97% identitate) și au fost atribuite la 51 de filuri bacteriene, 574 de ordine și 1.215 familii. Clasele dominante filiforme și proteobacteriene (>1% din toate secvențele din toate probele) au fost Actinobacterii (23,75% 8,55%), Alfaproteobacterii (20.43% 5,21%), Acidobacterii (18,39% % 9,19%), Deltaproteobacterii(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%), și Nitrospirae (1.14% ± 1.10%). Aceste grupări filogenetice au fost prezente în toate probele și au reprezentat mai mult de 95% din toate secvențele analizate în acest studiu (Fig. 1). Aceste rezultate sunt în concordanță cu studiile anterioare privind pășunile24 și pădurile de fag temperate25. Cel mai abundent filotip (3,99% 2.44) este un membru necultivat al subgrupului 6 al Acidobacteriilor. Cele mai abundente cinci filotipuri care ar putea fi atribuite unui gen sunt Bradyrhizobium (2,66% 1,45%), Candidatus Solibacter (2,00% 1,86%), Haliangium (1,39% 0,74%), Variibacter (1,36% 0,58%) și Gaiella (1,34% 1,31%) din toate secvențele.

variațiile biogeografice ale diversității bacteriene din sol și ale compoziției comunitare

diversitatea (reprezentată de indicele Shannon H’) și structura comunitară a bacteriilor din sol (PERMANOVA, P< 0.001) au diferit între cele trei exploratoare ale biodiversității. Exploratorul Hainich-D A găzduit cea mai diversă comunitate bacteriană (H’ = 10,22) în comparație cu Schorfheide-Chorin (H’ = 9,72) și Schwarbische Alb (h’ = 9,92). În plus, solurile de pajiști sunt semnificativ mai diverse decât solurile forestiere (H’ = 10,12 și, respectiv, H’ = 9,48, cu P < 0,001), ceea ce susține constatările anterioare ale Nacke și colegilor9, care au raportat că comunitățile bacteriene erau mai diverse în pajiști la nivel de filum. Deoarece probele derivate din solurile forestiere au fost mai acide decât probele de sol din pășuni (P < 0,001), diferența de pH ar putea explica diferența de diversitate (Tabelul 1).

cele mai dominante ordine bacteriene ale setului complet de date diferă în distribuția lor în cele trei exploratoare. Aceste diferențe au apărut cel mai probabil din diferențele în proprietățile edafice din exploratoare. Prin urmare, am testat corelarea factorilor de mediu prin analiza NMDS bazată pe diferențele Bray-Curtis. Potrivirea proprietăților edafice la hirotonire a dezvăluit pH – ul ca fiind cel mai puternic motor al comunității. Analiza corespondenței canonice suplimentare (CCA) utilizând pH-ul ca constrângere a arătat că pH-ul explică 26% din variația structurii comunității (P < 0,001, figura suplimentară S3). În plus, am constatat o separare a comunităților bacteriene din sol pe regiuni de eșantionare (PERMANOVA, P < 0.001) și cele două tipuri de utilizare a terenurilor pășuni și păduri (PERMANOVA, P < 0.001) (figura suplimentară S4). Prin urmare, am fost interesați de o analiză detaliată a factorilor care determină schimbările în structura comunităților bacteriene în fiecare exploratoriu. Am împărțit în continuare datele între pajiști și păduri datorită separării puternice dintre structura comunitară a ambelor tipuri de utilizare a terenurilor.

factorii cheie ai comunităților bacteriene

pentru a identifica factorii cheie ai structurii comunității bacteriene din sol pentru fiecare tip de utilizare a terenului în fiecare explorare, am efectuat analiza NMDS pentru cele șase subseturi. PH-ul solului a fost singura proprietate, care a afectat structura comunității în fiecare subset (Fig. 2). O altă proprietate care influențează structura comunității în pajiști și păduri a fost textura solului (cantitatea de argilă, nisip și/sau nămol), care reprezintă dimensiunea porilor, fluxurile de apă și gaze și disponibilitatea nutrienților26, 27. În plus, textura solului este importantă pentru separarea nișelor și protecția împotriva prădării28.

în solurile de pajiști, raportul C:N a influențat structura comunității bacteriene în Schwarktibische Alb și Schorfheide-Chorin, dar nu și în Hainich-D. Acest lucru este susținut de un studiu bazat pe PFLA asupra comunităților bacteriene din sol, în care proprietățile edafice, cum ar fi textura solului, pH-ul și concentrația de C și N, au fost implicate în structurarea comunităților bacteriene din sol10. Indicele intensității utilizării terenurilor (LUI) a fost corelat doar cu comunitatea de pășuni Schwartzbische Alb. Cu toate acestea, LUI reprezintă doar suma și nu sursa de fertilizare. În pajiștile Schwartbische Alb, cele mai multe parcele au primit îngrășăminte organice (gunoi de grajd, bălegar), în timp ce fertilizarea în Hainich-D și Schorfheide-Chorin a fost predominantă prin aplicarea îngrășămintelor minerale. Aceste constatări susțin un studiu recent, în care comunitățile microbiene din sol ale sistemelor agricole care primesc îngrășăminte organice au fost diferite în comparație cu cele ale sistemelor convenționale, fertilizate mineral și ale solurilor de control29. În acord cu Geisseler și Scow30, tendințele clare care sugerează schimbări structurale ale comunității bacteriene datorate aplicării îngrășămintelor minerale pe termen lung nu au fost găsite în sondajul nostru.

în solurile forestiere, speciile de arbori au fost corelate cu structura comunității bacteriene în toate exploratoarele, în timp ce indicele de management silvicultural (SMI) a influențat semnificativ structura comunității în Schorfheide-Chorin (Fig. 2). Comunitățile bacteriene din sol sub copaci cu frunze largi (Fagus și Quercus) și conifere (Pinus și Picea) au format modele distincte. Acest lucru este în conformitate cu rezultatele studiilor anterioare9,20. Nacke și colab.9 a analizat un subset de probe de sol derivate din Schwarbische Alb și a constatat că structura comunității bacteriene a fost diferită la Fag (Fagus) și Molid (Picea). Acest lucru este în concordanță cu un studiu care a comparat comunitățile bacteriene sub copaci conifere și foioase 20. Nu s-a observat o diferență între cele două specii de arbori cu frunze late, deși au fost descrise diferențe în structura comunității solului între arborii cu frunze late pentru Fagus versus Tilia și Acer31. Aceste efecte s-ar putea datora parțial acidificării reduse a solului și ratelor mai mari de rotație a gunoiului de frunze de Tilia și Acer32. Speciile de conifere, cum ar fi molidul (Picea abies) și pinul (Pinus sylvestris), sunt cunoscute pentru scăderea semnificativă a pH-ului solului (revizuit în ref. 33) datorită structurii chimice speciale a gunoiului veșnic verde sau captării compușilor acizi atmosferici34. Acest lucru ar duce la un efect indirect al pH-ului asupra bacteriilor din sol. În plus, acesta ar putea fi unul dintre motivele pentru care speciile de arbori joacă un rol important în structurarea comunităților bacteriene în toate probele forestiere analizate.

conform ipotezei noastre că structura și diversitatea comunității bacteriene ar fi afectate în moduri similare în cadrul aceleiași utilizări a terenului, am comparat diversitatea bacteriană, reprezentată de indicele Shannon (H’), între diferitele regimuri de gestionare (tabelul material suplimentar S4). Diferențele de diversitate au fost detectate pentru speciile de arbori din Schwarbische alb și Schorfheide-Chorin.

în mod interesant, regimurile de gestionare a pajiștilor (pajiști, pășuni, pășuni cosite) și a pădurilor (păduri negestionate, păduri de vârstă, păduri de selecție) nu au prezentat niciun efect semnificativ asupra diversității bacteriene (PERMANOVA, p< 0,05). Acest lucru este în contrast cu un studiu anterior realizat de Will și colab.22, OMS a constatat o diversitate bacteriană mai mare în solurile de pajiști cu intensitate redusă de utilizare a terenurilor în Hainich-D. În schimb, Tardy și colab.17 a investigat diversitatea bacteriană de-a lungul gradienților de intensitate a utilizării terenului și a observat cea mai mare diversitate bacteriană în solurile gestionate moderat. Autorii sugerează că acest efect este legat de răspunsul la stres al comunității bacteriene. În medii foarte stresate, ca și în cazul intensității ridicate a utilizării terenurilor, diversitatea scade din cauza dominanței speciilor competitive și a excluderii competitive, în timp ce în medii neaccentuate diversitatea scade din cauza dominanței speciilor adaptate prin selecție. În conformitate cu ipoteza noastră, am putea găsi condiții de sol, cum ar fi pH-ul, care conduc în mod constant structura comunității bacteriene, precum și diversitatea, în timp ce regimurile de gestionare și, prin urmare, intensitatea utilizării terenurilor nu au o influență semnificativă. În plus, am putea arăta că pH-ul este cel mai bun predictor al Comunităților bacteriene.

funcționarea bacteriană în pășuni și soluri forestiere

am mai emis ipoteza că funcționarea bacteriană a fost condusă într-un mod similar cu structura și diversitatea comunității bacteriene. Pentru a clarifica această ipoteză, ne-am concentrat pe căile implicate în ciclarea carbonului, azotului, fosforului și sulfului (Fig. 3) și a comparat abundența relativă a genelor cheie care codifică enzimele între cele două terenuri utilizează pășuni și păduri. Abundențele genelor care codifică enzimele au fost derivate dintr-un nou instrument bioinformatic Taxa4Fun23. Tax4Fun transformă OTUS-ul bazat pe SILVA într-un profil taxonomic al organismelor KEGG, care este normalizat de numărul de copii 16S rRNA (obținut din adnotările genomului NCBI). Deoarece solurile adăpostesc organisme necunoscute sau necultivate, nu toate secvențele 16S pot fi mapate la organisme KEGG. Analiza corelației Spearman a profilurilor funcționale derivate din secvențierea metagenomilor întregi și a profilurilor deduse din secvențele genei ARNr 16S a evidențiat o mediană a coeficientului de corelație de 0,8706 pentru soluri23. Acest lucru a indicat faptul că Tax4Fun oferă o bună aproximare a profilurilor funcționale obținute din abordări de secvențiere a puștii metagenomice. Acest lucru este deosebit de valoros pentru a deduce profilurile funcționale pentru un număr mare de eșantioane derivate din medii complexe, deoarece realizarea unei acoperiri reprezentative pentru fiecare eșantion dintr-un eșantion mare stabilit prin secvențierea puștii metagenome ar fi o sarcină descurajantă.

cele mai multe gene cheie de codificare a enzimelor implicate în ciclul C, N, S și P sunt fie mai abundente în soluri de pășuni sau păduri (testul Mann-Whitney, P < 0,05, tabelul suplimentar de materiale S5). De exemplu, genele care codifică fosfatazele acide au fost observate la 1.Abundențe de 4 ori mai mari în profilul funcțional al solurilor forestiere decât în solurile de pășune, în timp ce fosfatazele alcaline au prezentat tendința opusă. Presupunem că acest efect ar putea fi atribuit diferenței de pH între tipurile de utilizare a terenului, deoarece am arătat că pH-ul este cel mai bun predictor pentru comunitățile bacteriene. Genele care codifică ureaza au fost de 1,2 ori mai abundente în pășuni. Disponibilitatea ureei a fost mai mare în probele de pășuni, deoarece acestea sunt parțial fertilizate cu gunoi de grajd sau bălegar sau au fost pășunate de animale. Genele chitinazei au arătat, de asemenea, un 1.Abundență de 2 ori mai mare în pajiști în comparație cu solurile forestiere. Acest lucru ar putea rezulta din abundența mai mare de Actinobacterii în solurile pășunilor, deoarece se știe că acest grup adăpostește un număr mare de gene chitinazice35. Genele implicate în degradarea hidrocarburilor poliaromatice (PAH, aici lignină) sunt mai abundente în pajiști. În sistemele forestiere, acest proces este realizat în principal de ciuperci ligninolitice (în principal basidiomicete saprotrofice), care sunt capabile să degradeze Biomasa din lemn36. O enzimă cheie pentru oxidarea aerobă a metanului, metanol dehidrogenaza, a fost în mod semnificativ mai abundentă în solurile forestiere. Oxidarea metanului în solurile forestiere este cea mai mare chiuvetă biologică pentru metanul atmosferic4 și, prin urmare, joacă un rol critic în fluxul acestui gaz cu efect de seră. În plus, reductaza de oxid de azot (N2O), care catalizează ultima etapă în Denitrificare și reduce N2O la N2, este, de asemenea, mai abundentă în solurile forestiere (datele nu sunt prezentate). Aceste rezultate indică faptul că ecosistemele forestiere temperate nu joacă doar un rol crucial în reglementarea și eliminarea metanului, ci și a oxidului de azot din gazele cu efect de seră.

interesant, enzima cheie de fixare a azotului, azotaza, este mai puțin abundentă în pășuni decât în solurile forestiere. În acest studiu, a fost prelevat doar solul în vrac și, prin urmare, probabil că ar putea fi detectate doar bacterii care fixează azotul cu viață liberă. Este posibil ca fixarea azotului de către bacteriile cu viață liberă să joace un rol mai mare în sistemele forestiere, în timp ce bacteriile simbiotice și rizosferice, care nu au fost acoperite de studiu, efectuează cea mai mare parte a fixării azotului în sistemele de pășuni.

rezultatele obținute sugerează că diferitele terenuri utilizează pășuni și păduri nu numai pentru populații bacteriene distincte, ci și pentru trăsături funcționale specifice în cadrul comunităților lor bacteriene. Deoarece pajiștile și pădurile analizate în prezentul studiu sunt sisteme stabilite pe termen lung, ar fi interesant să evaluăm dacă o adaptare similară este prezentă și în sistemele mai tinere.

pH-ul solului este cel mai bun predictor al Comunităților bacteriene

în studiul de față, pH-ul a fost singurul factor care a influențat comunitatea bacteriană indiferent de explorarea și utilizarea terenului. În plus, nu numai că a afectat structura comunității bacteriene, ci și profilul funcțional al bacteriilor din sol. După cum sa menționat deja, analiza CCA a arătat că pH explică 26% din varianța totală în profilul comunității (figura suplimentară S3). Astfel, pH-ul a fost cel mai puternic predictor pentru structura comunității bacteriene.

am emis ipoteza că structura și funcționarea comunității bacteriene ar fi modelate într-o manieră similară. Corelațiile de mediu cu profilul funcțional derivat din Tax4Fun au fost testate de NMDS pe baza diferențelor Bray-Curtis (Fig. 4). Rezultatele sunt similare cu cele obținute pentru structura comunității. PH-ul a jucat un rol important în modelarea profilului funcțional și a explicat 32% Din varianță (testat de CCA, P < 0,001, figura suplimentară S5). Aceasta susține ipoteza noastră că structura și funcțiile comunităților bacteriene sunt modelate de mecanisme similare. Profilul funcțional a arătat, de asemenea, o separare între pășuni și sistemele forestiere.

În plus, am constatat că pH-ul este cel mai puternic predictor al diversității bacteriene din sol (P< 0,001, R2 = 0.4) (Fig. 5). S-a demonstrat deja că diversitatea comunităților bacteriene din sol în exploratoare este corelată pozitiv cu pH9,22. Cu toate acestea, rezultatele noastre indică o relație mai complexă între pH și diversitate. Diversitatea a fost cea mai scăzută la pH scăzut, apoi a crescut și a părut să fie stabilă între pH 5 și 7 și crește din nou în condiții ușor alcaline. Acest lucru este în contrast cu Fierer și Jackson7 și Lauber și colab.8, care a descris un vârf al diversității bacteriene a solului în solurile aproape neutre.