玩儿转扩增子测序 网络拓扑分析揭示水稻土壤微生物功能结构差异

　　无论是定位核心物种，探究物种相互作用，还是研究功能基因差异，您都需要一款网络拓扑分析。

土壤中蕴藏的巨大微生物多样性，被称为地球关键元素循环过程的引擎，维系着人类和地球生态系统的可持续发展。

今天就给大家分享一个水稻土壤中微生物群落结构和功能基因差异的故事。

土壤类型对微生物群落组成的影响（图1A，B）。在三种土壤类型中也观察到沿土壤剖面的群落演替的明显趋势，表层土壤（0-5cm）与深层土壤（5-20cm，20-40cm和40-60cm）明显分离，表层土壤中的群落结构更复杂。分蘖期和抽穗期样本形成两个簇，这意味着水稻两个生长阶段土壤微生物功能结构的显着差异（图1C）。

通过构建系统分子网络图分析微生物群落的相似性发现，A层细菌群落的正相关系数高达93％，比其他层高18-27％。而A层细菌网络的平均度最低（avgK=3.68），这表明较深土层中节点的连通性较高。此外，A层中的细菌群落呈现出最高水平的模块性，与其他层相比具有更高的系统抗性变化。古菌在表层土壤中的连通性低于深层土壤。

那么这种差异是由什么造成的？研究中的48个样品中鉴定出34个细菌门和4个古菌门（图3A），这些群落的分布呈现出明显的土壤类型和深度依赖性分布模式。土壤理化性质受深度影响显著；酸性土壤中TY（pH=5.8~6.0）的土壤盐分比在BH（pH=8.0~8.6）和LZ（pH=6.8~7.2）土壤中低约10倍。土壤pH、HWC和盐分被认为是影响细菌群落结构的重要因素，而微生物功能结构仅受细菌群落的影响。

研究进一步探究了群落中参与主要代谢通路的功能基因，发现参与碳循环的基因在所有样品中最为丰富，其次是与金属抗性、有机修复和氮循环相关的基因（如下图）。

在A层中，细菌群落网络平均度（2.79）中检测到最高的平均度；而在A层中古菌群落的平均度最低，而在B层和D层中均表现出相对较高的程度。表明在表层土壤中，细菌群落与它们的功能具有复杂的连接，而古菌在较深的土壤中进行复杂的连接。酸性细菌与所有土壤剖面层的生态功能具有相对较强的联系。

研究表明了土壤类型中细菌和古菌群落和功能结构的明显分离，根据土壤的生理生态特征，细菌和古细菌根据土壤类型或剖面赋予了特定的分布格局。

通过细菌和古菌群落的网络拓扑分析直观清晰的表明，稻田土壤中的微生物具有较高的栖息地异质性，因此赋予微生物更强的系统抗性，并且表层土壤中的群落与功能之间的联系更紧密，模块化更强。网络拓扑分析可以使我们能更好的理解微生物群落对这些稻田土壤环境扰动的潜在抵抗力和恢复力。