玩儿转扩增子测序 | 网络拓扑分析揭示根系微生物菌群的多重互作

科研的道路漫漫而修远，不少做植物实验的小伙伴们更是深有体会，掬一把辛酸泪。慢工出细活，在连续10年的温室堆肥实验中，科学家们对酸性土壤中线虫和氨氧化剂网络模式的总体相关变化进行了深入研究。

硝化作用在全球氮循环中起着重要作用，受土壤微动物与微生物之间的生物相互作用的影响。氨氧化古菌（ ammonia-oxidizing archaea，AOB）和氨氧化细菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）的生态重要性可能因土壤化学性质而异，包括氨浓度、pH值和有机物质。而细菌线虫可以通过增强AOB丰度和改变田间土壤中的AOB群落组成来刺激硝化作用。近几年大火的网络拓扑图分析为探究这些物种之间的相互作用提供了很好的分析思路。

实验设计

实验处理

CK（no manure），

LM（少肥处理150 kg N/公顷.年），

HM（高肥处理600 kg N/公顷.年），

HML（高肥+石灰石处理，600 kg N/公顷.年，每3年3000kg石灰石/公顷）

分析手段

收集土壤样本；

土壤质地、理化性质、线虫数量检测；

古菌amoA（Arch-amoAF/ArchamoAR）和细菌amoA（amoA-1F/amoA-2R）测序。

研究结果

按照土壤团聚体颗粒的大小可分为三类：

• large macroaggregates（> 2000mm，LA）

• small macroaggregates（250-2000mm，SA）

• inter-aggregate soil and space（<250mm，IA）

通过构建网络图发现，土壤团聚体颗粒越大，网络图中连线越多，关系越复杂。下图（A-C）中LA网络由404个连线构成，平均度8.51，大于SA（379条，平均度为6.77）和IA（341条，平均度为6.56）网络。平均连通性（avgK）和整个网络中的边缘数量随着总体尺寸的增加而增加，而平均测地距离（GD）则遵循相反的趋势。

LA网络可以被视为一个更好的组织或更好的土壤食物网络，其具有比SA和IA网络更多功能相关的成员。网路图的模块化（Modules）特征对IA、SA和LA网络图中物种相对分度解释度为42-56% 、52-62%和53-56%，同时分别检测到63、70 和68个具有显著相关性的modules（MMs），21.8%共有modules中包含22个氨氧化菌（15个AOB，7个AOA）和4个线虫（2个Ba，2个Pp）。而大多数约49.6%的MMs只存在于单个网络图中，土壤团聚体大小对MMs影响很大。

此外，通过对网络拓扑分析，研究重要的模块之间的关系以及可能的关键物种。这里主要涉及到两个参数：第一，模块内连通度Zi（Within-module connectivity），用于衡量节点与模块中其他节点的连接程度；第二，模块间连通度Pi（Among-module connectivity），用于量化节点与其他模块的连接的程度。根据zi=2.5和pi=0.62将所有节点分成了4个大类：外围节点（peripherals）, 连接器（connectors）, 模块枢纽（module hubs）, 网络枢纽（network hubs）。结果表明97.3%的节点可被归类为外围节点，其中46.9节点并未与其他模块产生任何交流。2%的节点属于模块枢纽（module hubs）和连接器（connectors），其中 Module I3中Nitrosospira cluster 10 (OTUAOB61)，Module S3中Nitrosospira cluster 9 (OTUAOB100)，以及Module L3中Nitrosospira cluster 3a (OTUAOB57)属于模块核心物种；而所有团聚体网络中的Nitrososphaera cluster 1.1（OTUAOA9）属于connectors，均与其他重要模块产生了高度联系。

研究指出，不同网路图中模块中心的转变与土壤pH密切相关，而LA、SA、IA中的三个与Nitrososphaera簇1.1相关的专有连接体主要收到细菌线虫的影响。无论团聚体大小如何，强耦合模块与pH、总碳（TC）呈正相关。

基于群落结构组成，网络图构建直观展示了微生物群落之间多重相互作用关系以及网络核心物种，是研究物种功能作用的有效手段。

【参考文献】

Aggregate-related changes in network patterns of nematodes and ammonia oxidizers in an acidic soil. SBB, 2015.