drivkrafter för markbakteriell samhällsstruktur, mångfald och funktion i tempererade gräsmarker och skogar

Allmänna egenskaper hos markproverna

markprover visade signifikanta skillnader med avseende på markstruktur och edafiska egenskaper (Tabell 1, kompletterande Materialtabeller S1 och S2). Skogsmarkerna var surare, hade ett högre C:N-förhållande och mindre lermängd än gräsmark. Skogsmarkprover från de olika utforskarna uppvisade betydande skillnader i alla uppmätta edafiska egenskaper. Schorfheide-Chorin – skogsmarkerna var mer sura och hade högre C:n-förhållanden jämfört med Hainich-D usci-n och schw usci-Bische Alb-jordarna, som inte skilde sig avsevärt. För övrigt, Schorfheide-Chorin skogsmark uppvisade också den lägsta gravimetriska vatteninnehållet, lera och siltmängd av alla utforskare.

Gräsmarksjordprover härledda från de olika utforskarna uppvisade också signifikanta skillnader mellan alla uppmätta edafiska egenskaper. Hainich-D usci-gräsmarksjorden hade de högsta pH-värdena, lägsta gravimetriska vatteninnehåll och högsta siltmängd jämfört med Schorfheide-Chorin och schw usci-Bische Alb-jorden, som inte skilde sig väsentligt. Schorfheide-Chorin gräsmarkjordar uppvisade det högsta C: N-förhållandet och sandmängden jämfört med de andra två utforskarna. Lermängden var lägst i Schorfheide-Chorin gräsmarkjordar, följt av Hainich-D Occyln jordar. De högsta lermängderna bestämdes för schw-Gräsmarkens schw-Uskbische Alb. Signifikanta skillnader i markparametrar mellan de olika förvaltningssystemen registrerades inte (ANOVA, P > 0,5 i alla fall).

jordbakteriesamhällen

sammansättning och mångfald av jordbakteriesamhällen bedömdes genom pyrotag-sekvensering av 16S rRNA-gener. Efter kvalitetsfiltrering, denoisering och avlägsnande av potentiella chimärer och icke-bakteriella sekvenser erhölls cirka 2 700 000 högkvalitativa sekvenser med en genomsnittlig läslängd på 525 bp för ytterligare analyser. Alla sekvenser klassificerades under phylum nivå. Baserat på rikedom estimator data (Michaelis-Menten fit; Tilläggsmaterial tabell S3) 78-88% av de operativa taxonomiska enheterna (otu: er) vid 80% identitet (stamnivå) och 27-55% av otu: erna vid 97% identitet (artnivå) täcktes av kartläggningsinsatsen (för sällsynthetskurvor, se kompletterande Material figurerna S1 och S2).

erhållna sekvenser grupperade i 203 530 OTUs (97% identitet) och tilldelades 51 bakteriella phyla, 574 order och 1 215 familjer. De dominerande phyla-och proteobakteriella klasserna (>1% av alla sekvenser över alla prover) var aktinobakterier (23,75% 8,55% av 20.43% 5,21%), Acidobacteria (18,39% 9,19% % 9,19%), Deltaproteobacteria (7,22% 2,84% 2,8%). Bacteroidetes (5.15% ± 2.60%), Chloroflexi (5.09% ± 2.10%), Betaproteobacteria (4,64 Kr% ± 2.38%), Gammaproteobacteria (4.32% ± 1,23 Procent), Gemmatimonadetes (1.88% ± 0.92%), Firmicutes (1.18% ± 3.20%), och Nitrospirae (1.14% ± 1,10 procent). Dessa fylogenetiska grupper var närvarande i alla prover och stod för mer än 95% av alla sekvenser analyserade i denna studie (Fig. 1). Dessa resultat överensstämmer med tidigare studier på gräsmarker24 och tempererade bokskogar25. Den vanligaste fylotypen(3,99% 2.44) är en odlad medlem av undergruppen 6 av Acidobacteria. De fem vanligaste fylotyperna som kan tilldelas ett släkte är Bradyrhizobium (2, 66% 1, 45% av det), Candidatus Solibacter (2, 00% 1, 86% av det), Haliangium (1, 39% 0, 74% av det), Variibacter (1, 36% 0, 58% av det) och Gaiella (1, 34% 1, 31% av det) av alla sekvenser.

biogeografiska variationer av jordbakteriemångfald och gemenskapssammansättning

mångfald (representerad av Shannon index H’) och samhällsstruktur för jordbakterier (PERMANOVA, P < 0.001) skilde sig mellan de tre Biodiversitetsutforskarna. Hainich-D Oc-n utforskande innehöll den mest varierande bakteriegemenskapen (H’ = 10,22) jämfört med Schorfheide-Chorin (H’ = 9,72) och schw-oc-Bische Alb (H’ = 9,92). Dessutom är gräsmarkjord betydligt mer varierande än skogsmark (H’ = 10.12 respektive H’ = 9.48, med P < 0.001), som stöder tidigare fynd av Nacke och kollegor9, som rapporterade att bakteriesamhällen var mer olika i gräsmarker på fylnivå. Eftersom prover som härrör från skogsjord var surare än gräsmarksprover (P < 0,001) kan skillnaden i pH förklara skillnaden i mångfald (Tabell 1).

de mest dominerande bakterieordningarna i hela datasetet skilde sig åt i deras fördelning över de tre utforskarna. Dessa skillnader uppstod troligen från skillnader i edafiska egenskaper i utforskarna. Därför testade vi för korrelation av miljöfaktorer genom nmds-analys baserad på Bray-Curtis olikheter. Att anpassa de edafiska egenskaperna till ordinationen avslöjade pH som samhällets starkaste drivkraft. Ytterligare kanonisk korrespondensanalys (CCA) med pH som begränsning visade att pH förklarar 26% av variationen i samhällsstrukturen (P < 0.001, kompletterande figur S3). Vi hittade dessutom en separation av jordbakteriesamhällen genom provtagningsregion (PERMANOVA, P < 0.001) och de två markanvändningstyperna gräsmark och skog (PERMANOVA, P < 0.001) (kompletterande figur S4). Därför var vi intresserade av en detaljerad analys av de faktorer som driver förändringarna i strukturen hos bakteriesamhällen i varje undersökande. Vi delade vidare upp uppgifterna mellan gräsmarker och skogar på grund av den starka åtskillnaden mellan gemenskapsstrukturen för båda markanvändningstyperna.

viktiga drivkrafter för bakteriesamhällen

för att identifiera de viktigaste drivkrafterna för jordbakteriell samhällsstruktur för varje markanvändningstyp i varje utforskande utförde vi nmds-analys för de sex delmängderna. Jordens pH var den enda egenskapen som påverkade samhällsstrukturen i varje delmängd (Fig. 2). En annan egenskap som påverkar samhällsstrukturen i gräsmarker och skogar var markstruktur (mängd lera, sand och/eller silt), som representerar porstorlek, vatten-och gasflöden och näringstillgänglighet26, 27. Dessutom är markstrukturen viktig för nischseparation och skydd mot predation28.

i gräsmarkjordar påverkade C:N-förhållandet bakteriell samhällsstruktur i schw Askorbische Alb och Schorfheide-Chorin, men inte i Hainich-D. Detta stöds av en pfla-baserad studie på jordbakteriesamhällen, där edafiska egenskaper såsom markstruktur, pH och C-och N-koncentration var inblandade i att strukturera jordbakteriesamhällen10. Markanvändningsintensitetsindexet (lui) var endast korrelerat med schw Slovakische Alb gräsmarkgemenskap. LUI står dock bara för beloppet och inte för källan till befruktning. I schw exceptional Alb-gräsmarkerna fick de flesta tomter organiskt gödselmedel (gödsel, gödsel), medan befruktning i Hainich-D Auctorin och Schorfheide-Chorin dominerades av applicering av mineralgödsel. Dessa resultat stöder en ny studie, där markmikrobiska samhällen av jordbrukssystem som fick organiskt gödselmedel var olika jämfört med konventionella mineralt befruktade system och kontrolljorder29. I överenskommelse med Geisseler och Scow30 hittades inte tydliga trender som tyder på strukturella förändringar i bakteriesamhället på grund av långvarig mineralgödselanvändning i vår undersökning.

i skogsmark var trädarterna korrelerade med bakteriell samhällsstruktur i alla utforskare, medan silvicultural management index (SMI) endast påverkade samhällsstrukturen i Schorfheide-Chorin signifikant (Fig. 2). Jordbakteriesamhällen under bredbladiga (Fagus och Quercus) och Barrträd (Pinus och Picea) träd bildade distinkta mönster. Detta är i enlighet med resultaten från tidigare studier9, 20. Nacke et al.9 analyserade en delmängd av jordprover härrörande från schw Askorbische Alb och fann att den bakteriella samhällsstrukturen var annorlunda under bok (Fagus) och Gran (Picea). Detta överensstämmer med en studie som jämför bakteriesamhällen under barrträd och bredbladiga träd20. Vi observerade inte någon skillnad mellan de två bredbladiga trädarterna, även om skillnader i markgemenskapsstruktur mellan bredbladiga träd har beskrivits för Fagus kontra Tilia och Acer31. Dessa effekter kan delvis bero på minskad försurning av marken och högre omsättningshastigheter för bladkullarna Tilia och Acer32. Barrträd som Gran (Picea abies) och tall (Pinus sylvestris) är kända för att avsevärt minska markens pH (granskad i ref. 33) på grund av den speciella kemiska strukturen hos vintergröna kullar eller infångning av atmosfäriska sura föreningar34. Detta skulle resultera i en indirekt pH-effekt på jordbakterier. Dessutom kan detta vara en av anledningarna till att trädslag spelar en viktig roll i struktureringen av bakteriesamhällen i alla analyserade skogsprover.

enligt vår hypotes att bakteriell samhällsstruktur och mångfald skulle påverkas på liknande sätt under samma markanvändning jämförde vi den bakteriella mångfalden, representerad av Shannon index (H’), mellan de olika hanteringssystemen (kompletterande Materialtabell S4). Skillnader i mångfald upptäcktes för trädarterna i schw Excepibische Alb och Schorfheide-Chorin.

intressant nog uppvisade förvaltningsregimerna i gräsmarker (äng, betesmark, klippt betesmark) och skogar (omanagd skog, ålders-lass skog, urvalsskog) ingen signifikant effekt på bakteriell mångfald (PERMANOVA, P < 0.05). Detta står i kontrast till en tidigare studie av Will et al.22, who fann en högre bakteriemångfald i gräsmarkjord med låg markanvändningsintensitet i Hainich-D usci. I kontrast, Tardy et al.17 undersökte bakteriell mångfald längs gradienter av markanvändningsintensitet och observerade den högsta bakteriella mångfalden i måttligt hanterade jordar. Författarna föreslår att denna effekt är relaterad till bakteriesamhällets stressrespons. I mycket stressade miljöer, som under hög markanvändningsintensitet, minskar mångfalden på grund av dominans av konkurrerande arter och konkurrenskraftig uteslutning, medan i ostressade miljöer minskar mångfalden på grund av dominans av anpassade arter genom urval. I enlighet med Vår hypotes kunde vi hitta markförhållanden som pH som konsekvent Driver bakteriell samhällsstruktur såväl som mångfald, medan förvaltningsregimer och därför markanvändningsintensitet inte har något signifikant inflytande. Dessutom kan vi visa att pH är den bästa prediktorn för bakteriesamhällen.

bakteriell funktion i gräsmark och skogsmark

vi antog vidare att bakteriell funktion drevs på ett liknande sätt som bakteriell samhällsstruktur och mångfald. För att klargöra denna hypotes fokuserade vi på vägar som är involverade i cykling av kol, kväve, fosfor och svavel (Fig. 3) och jämförde de relativa överflödena av viktiga enzymkodande gener mellan de två markanvändningarna gräsmark och skog. Överflöd av de enzymkodande generna härleddes från ett nytt bioinformatiskt verktyg Taxa4Fun23. Tax4Fun omvandlar SILVA-baserade OTUs till en taxonomisk profil av KEGGORGANISMER, som normaliseras av 16S rRNA-kopianummer (erhållet från NCBI-genomanteckningar). Som jordar hyser okända eller okulturerade organismer, inte alla 16S sekvenser kan mappas till KEGG organismer. Spearman korrelationsanalys av funktionella profiler härledda från hela metagenomsekvensering och profiler härledda från 16S rRNA-gensekvenser avslöjade en median av korrelationskoefficienten på 0,8706 för jord23. Detta indikerade att Tax4Fun ger en god approximation till funktionella profiler erhållna från metagenomiska Hagelgevär sekvenseringsmetoder. Detta är särskilt värdefullt att härleda funktionella profiler för ett stort antal prover som härrör från komplexa miljöer, som att uppnå representativ täckning för varje prov av ett stort prov som fastställts av metagenom Hagelgevär sekvensering skulle vara en svår uppgift.

de flesta nyckelenzymkodande gener som är involverade i cykling av C, N, S och P är antingen mer rikliga i gräsmark eller skogsmark (Mann-Whitney test, P< 0.05, kompletterande Materialtabell S5). Till exempel observerades gener som kodar för sura fosfataser vid 1.4-faldigt högre överflöd i skogsmarkens funktionella profil än i gräsmarkmarken, medan alkaliska fosfataser visade motsatt trend. Vi antar att denna effekt kan hänföras till skillnaden i pH mellan markanvändningstyperna, eftersom vi visade att pH är den bästa prediktorn för bakteriesamhällen. Generna som kodar för ureas var 1,2 gånger mer rikliga i gräsmarken. Tillgången på urea var högre i gräsmarkproverna, eftersom dessa delvis befruktas med gödsel eller gödsel eller betas av djur. Chitinasgener visade också en 1.2-faldigt högre överflöd i gräsmarker jämfört med skogsmark. Detta kan bero på det högre överflödet av aktinobakterier i gräsmarkjord, eftersom denna grupp är känd för att ha ett stort antal chitinasgener35. Gener som är involverade i polyaromatiskt kolväte (PAH, här lignin) nedbrytning är rikligare i gräsmarker. I skogssystem utförs denna process främst av ligninolytiska svampar (främst saprotrofa basidiomyceter), som kan försämra träbiomass36. Ett nyckelenzym för aerob metanoxidation, metanoldehydrogenas, var särskilt rikligare i skogsmark. Metanoxidation i skogsmark är den största biologiska diskbänken för atmosfärisk metan4 och spelar därför en avgörande roll i flödet av denna växthusgas. Dessutom är kväveoxid (N2O) reduktas, som katalyserar det sista steget i denitrifikation och reducerar N2O till N2, också rikligare i skogsmark (data visas inte). Dessa resultat tyder på att tempererade skogsekosystem inte bara spelar en avgörande roll vid reglering och avlägsnande av metan utan också av växthusgasens kväveoxid.

intressant är det viktigaste enzymet för kvävefixering, kväveaset, mindre rikligt i gräsmark än i skogsmark. I denna studie samplades endast bulkjord och därför kunde förmodligen endast fritt levande kvävefixerande bakterier detekteras. Det är möjligt att kvävefixering av fritt levande bakterier spelar en större roll i skogssystem, medan symbiotiska och rhizosfäriska bakterier, som inte omfattades av studien, utför huvuddelen av kvävefixering i gräsmarksystem.

de erhållna resultaten tyder på att de olika markanvändningarna gräsmark och skog inte bara väljer för distinkta bakteriepopulationer utan också för specifika funktionella egenskaper inom deras bakteriesamhällen. Eftersom gräsmarker och skogar som analyseras i den aktuella studien är långsiktiga etablerade system, skulle det vara intressant att utvärdera om en liknande anpassning också finns i yngre system.

jord pH är den bästa prediktorn för bakteriesamhällen

i den aktuella studien var pH den enda faktorn som påverkade bakteriesamhället oavsett utforskande och markanvändning. Dessutom påverkade det inte bara bakteriell samhällsstruktur utan också markbakteriens funktionella profil. Som redan nämnts visade CCA-analysen att pH förklarar 26% av den totala variansen i gemenskapsprofilen (kompletterande figur S3). Således var pH den starkaste prediktorn för bakteriell samhällsstruktur.

vi antog att bakteriell samhällsstruktur och funktion skulle formas på ett liknande sätt. Miljökorrelationer med Tax4Fun-härledd funktionell profil testades av NMDS baserat på Bray-Curtis olikheter (Fig. 4). Resultaten liknar dem som erhållits för gemenskapsstrukturen. PH spelade en viktig roll för att forma den funktionella profilen och förklarade 32% av variansen (testad av CCA, P < 0.001, kompletterande figur S5). Detta stöder vår hypotes att bakteriesamhällenas struktur och funktioner formas av liknande mekanismer. Den funktionella profilen visade också en åtskillnad mellan gräsmark och skogssystem.

dessutom fann vi att pH är den starkaste prediktorn för jordbakteriell mångfald (P < 0.001, R2 = 0.4) (Fig. 5). Det har redan visats att mångfalden av jordbakteriesamhällen i utforskarna är positivt korrelerade med pH9,22. Våra resultat indikerar dock ett mer komplext samband mellan pH och mångfald. Mångfalden var lägst vid lågt pH, ökade sedan och verkade vara stabil mellan pH 5 och 7 och ökar igen under svagt alkaliska förhållanden. Detta står i kontrast till Fierer och Jackson7 och Lauber et al.8, who beskrev en topp av jordbakteriell mångfald i nära neutrala jordar.

Multinomiala regressionsmodeller avslöjade flera svar av bakteriella order till jord pH

för att bättre förstå det komplexa förhållandet mellan enskilda bakteriegrupper och mark pH, tillämpade vi multinomiala regressionsmodeller på de 30 vanligaste beställningarna av datasetet (kompletterande material figur S6). Fyra generella svar observerades: (1) minskning i överflöd med ökande pH (Acidobacteriales, acidobacterialundergrupp 3, Frankiales, Corynebacteriales), (2) ökning i överflöd med ökande pH (acidobacterialundergrupp 6, Gaiellales, Acidimikrobiales, Propionibacteriales), (3) smalt pH-intervall med hög överflöd (Rhizobiales, Rhodospirillales) och (4) relativt konstant överflöd över pH-området (Bacillales, Gemmatimonadales, Sphingobacteriales) (Fig. 6). I sin publikation om nischteori beskrev Austin och Smith37 pH som en direkt fysiologisk gradient som verkar på organismer, vilket resulterar i unimodala eller snedställda unimodala svarskurvor begränsade av tillväxtbegränsande förhållanden i ena änden och konkurrens i andra änden. Detta stöds av vår observation av få mycket rikliga order vid lågt pH och många mindre rikliga order i nära neutrala jordar. Förmågan att växa vid låga pH-värden kallas ATR (acid tolerance response) och ger en konkurrensfördel jämfört med andra bakterier i marken.

för att testa vilka mekanismer som är involverade i syra tolerans av jordbakterier valde vi de gener som rapporterades vara involverade i syra tolerans i Rhizobia38 och Gram positiva bakterier39 som var närvarande i den funktionella profilen. Dessutom analyserade vi generna som finns i KEGG-vägen för biosyntes av omättade fettsyror (ko01040) såväl som 3-trans-2-decenoylisomeras. Detta enzym är involverat i genereringen av omättade fettsyror och visade sig öka syratoleransen i Streptococcus mutans genom att ändra cellmembrankomposition40. Vi fann att generna för biosyntes av omättade fettsyror var mycket rikliga i låga pH-prover (pH 3-4), medan decenoylisomeras inte följde denna trend (Fig. 7). Därför kan denna gen inte vara generellt involverad i syra tolerans i jord. Dessutom var de flesta gener involverade i alkaliproduktion, två komponentsystem och reparation av makromolekyler rikligare i de låga pH-proverna jämfört med mer neutrala prover. Flera gener involverade i DNA-reparation var förmodligen också involverade i ATR av jordbeborande bakterier, liksom levansukras, en gen som är involverad i biofilmbildning. Våra resultat tyder på att bakterier kan tillämpa en aktiv mekanism för att hantera stressiga pH-tillstånd. Alkaliproduktion ökar pH i omedelbar miljö, vilket förbättrar bakterieöverlevnadschanser. Dessutom skyddar och reparerar makromolekylreparationsenzymer DNA och proteiner, och bakterier verkar förbättra pH-toleransen genom att ändra sina cellväggskomponenter eller skydda sig inom biofilmer.