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剧变环境下,微生物群落构成对环境恢复的影响

作者:Sergio A. Navarrete, Damien Eveillard & Mauricio G来源:Nature

广州美格生物在微生物研究领域有着丰富的经验。咨询热线:18027152056


了解影响天然土壤细菌群落聚集的因素是微生物群落生态学的一个长期挑战。

我们比较了两个沿着阿塔卡马沙漠的安第斯山脉西部斜坡形成的微生物共生网络,它们代表的土壤细菌群落来自两个不同的PH值、温度和湿度梯度区域。

剧变环境下,微生物群落构成对环境恢复的影响,美格生物

这一过程中,我们用共生网络的拓扑图的排列比对来确定改变环境变量对OTU分类组成及其关系的影响。

我们观察到,尽管存在很大的环境变化,共生网络中的一小部分关联模式仍然是持续的。

剧变环境下,微生物群落构成对环境恢复的影响,美格生物

方形节点代表理化参数,圆形节点代表OTU.


这种明显的韧性似乎是由于:

(1)一定比例的OTU存留贯穿整个梯度,在群落社区里保持相似的关联模式

(2)细菌群落生态的重排,一部分很重要的OTU填补了其他网络中OTU的生态角色。

潜在的功能性特征表明了,沿着固氮土壤梯度,持续的OTU的根本作用。

我们可以识别导致微生物群落结构变化的因素,改变特定的细菌土壤功能和自然环境中微生物群落内的相互作用。


最近对微生物群落的研究大大得益于核糖体基因测序技术的发展,而不需要培养。

这些研究显示了pH、温度和相对湿度等环境因素在土壤微生物结构和组成中的重要性。


栖息在阿塔卡马沙漠土壤的微生物群落所面临的极端条件为研究提供了一个独特的机会,来测试什么程度的微生物群落结构,面对多重自然压力,

对强大的环境梯度有抵抗力。

我们研究了贯穿垂直断面Talabre-Lejía Transect (TLT)的微生物群落,那里很少甚至没有人为因素干扰。

在这条长达数公里的横断面上,有一个显著的pH、温度和湿度梯度,在高海拔的地区,有酸性土壤、较低的温度和较高的相对湿度,

在低海拔地区,有碱性土壤,较高的温度和较低的相对湿度。

我们研究了群落的组成结构,构造了两个代表划分TLT梯度区域的共生网络。

使用网络分析,我们检测了微生物可操作分类单元OTU或“节点”之间假定的生态相互作用的变化,以及与理化和营养变量的联系。

在共生网络中基于节点16S rRNA基因测序一致性和拓扑相似性的网络对比,使我们能够研究,在面对环境异常变化时, 微生物群落中发生的生态重排。

L-GRAAL,我们用来检测网络结构变化所采用的图形对比方法,比以前的计算方法要好,可以直观表示,互动检查重要的网络属性。

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这是第一次将该方法应用于微生物系统生物学,代表了从共生网络新的拓扑性质扩展而来的微生物网络比较研究的一个显著的进步,并提供了一个全面的方式来了解两网络成员之间的拓扑变化。

这种方法为在反差环境条件下,形成抵抗力和恢复力的微生物群落变化的本质研究提供一个视角。

运用CCA,我们发现在TLT的分类变化也是由pH值和营养因素相结合所驱动的,这是与观测相一致,观测显示土壤样品中pH值的改变与许多营养指标(包括微量元素Fe、Cu、Zn)有显着相关性。

这些分析表明,沿梯度不同的pH对营养造成影响,因此,它是控制TLT细菌群落结构的主要因素。

在两个网络中,最连接最多的OTU(高于10%中心值),被认为是网络稳定性的关键成分,同属于三门(放线菌,酸杆菌和变形)。

有趣的是,这些中心节点在丰度并不占优势,这表明虽然中心和丰度的节点属于同一个普通分类群,但它们不是同一物种。

这意味着属于放线菌,酸杆菌和变形的高丰度和核心类OTU 能不是网络动态和稳定性的关键,与低丰度的不同,但却是高度连接的“物种”, 因此可以在动态网络特性中起着关键作用。

在假定的与氮素代谢相关的功能方面,核心OTU呈现高度和显著的丰度,尤其是固氮。

这表明,面对环境变化,由于易于适应的能力,或者通过制造微生物生存最重要的元素氮,来对抗理化与营养因素的变化,核心OTU在维持细菌群落结构方面扮演了一个角色。

我们发现,很大一部分核心类OTU持续存在TLT的梯度的两个极端,也建立了类似的与其他社区成员关联的模式。

如果这种成员之间的关联模式在网络动态和稳定性中发挥重要作用,反映除群落的功能特性,如蛋白质网络,那么当环境急剧变化时,这类有“抗性”的OTU可赋予整个群落一定程度的韧性或弹性。

在这项研究中我们观察到,尽管大的物理化学(主要是pH值)和营养差异影响TLT的细菌群落结构,但是两个网络关联模式是相当持久的。

我们的研究结果对传统的群落抵抗能力的观点略有修改,我们认为OTU之间的关系也有弹性。


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参考文献

Structure and co-occurrence patterns in microbial communities under acute environmental stress reveal ecological factors fostering resilience

Dinka Mandakovic, Claudia Rojas, Jonathan Maldonado, Mauricio Latorre, Dante Travisany, Erwan Delage, Audrey Bihouée, Géraldine Jean, Francisca P. Díaz, Beatriz Fernández-Gómez, Pablo Cabrera, Alexis Gaete, Claudio Latorre, Rodrigo A. Gutiérrez, Alejandro Maass, Verónica Cambiazo, Sergio A. Navarrete, Damien Eveillard & Mauricio González


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