mBio: 将土壤微生物分解为低复杂度的功能模块

Journal: mBio

Published online：2020 Jul 7

Link: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7343995/

摘 要

土壤微生物群是地球上最复杂的微生物群落之一。本文开发了一种替代方法，根据代谢能力，将复杂的土壤微生物组分解成组件(“functional modules”)，以进行个体特性描述。

作者假设，可繁殖的、低复杂度的、代表功能模块的群落可以通过有针对性的浓缩而获得，它们将包含很大程度的土壤微生物群落多样性。

在初始土壤接种中，以特定的碳基质、抗生素、厌氧条件下的替代电子受体或反映共同场强的替代生长条件为基础的确定培养基进行富集。通过16S rRNA扩增子测序来评估合成的群落。

较宽松的模块(厌氧条件、复杂的多糖和特定的胁迫)导致更独特的群落，在重复之间具有更高的丰富度和更大的可变性，而具有简单基质的模块则以较少的物种为主，具有更强的可再生性。

结果表明，通过将土壤微生物组分解成离散的组成部分，有可能获得对土壤微生物组及其生化潜力的更全面的认识。

此文目的是通过有针对性的浓缩，将土壤微生物组的生化能力分解成离散的“功能模块”。功能模块的概念绕过了土壤微生物组分析的许多限制。

首先，通过选择性富集，土壤微生物群落多样性可以减少为可控制的物种数量。然后可以详细研究这些降低了复杂性的联合体，以确定单个物种如何相互作用，以执行特定的生化过程，如土壤有机质分解。降低复杂性的群落对于生物信息学应用来说也是更少的计算挑战。

第二，一个功能模块内的单个物种可以被分离并以不同的组合进行研究，以定义特定的物种间相互作用，这是研究感兴趣的代谢过程的基础。

第三，富集来自源土壤的稀有或其他方法无法检测的微生物。

最后，这种方法与考虑微生物相关功能和表型而不是严格的系统发育结构的范式一致。

作者假设，通过对初始土壤接种物的定向富集，我们可以获得具有明显特征的功能模块群落。这些功能模块相对于土壤提取控制具有较低的多样性，并且具有可重复性和可预测性。

此外，作者假设这些功能模块将包含相当程度的土壤系统发育多样性，并将丰富代表性不足的土壤类群。

结果说明了这种方法如何能够阐明已知的和隐藏的复杂结构多样性。

方 法

采集土壤样本，通过构建不同的培养基及培养条件得到多种功能模块，包括简单基质模块(如糖和有机酸)，抗生素模块，多糖模块，厌氧模块和压力模块(热， pH值，盐)。具体构建方法可阅读原文。

共获得324个群落，每个群落有5个重复，共66个不同的功能模块。

结 果

功能模块的多样性和丰富度都下降。一些模块之间存在显著差异。

功能模块的重复性各不相同。beta-dispersion越高，重复性越低。简单的基质模块具有最好的可重复性。厌氧和多糖模块重复性最低。结果表明高beta-dispersion的群落通常具有较高的alpha多样性，表明群落结构多样性与群落装配变异之间存在联系。在压力模块中，最不可重现的是盐和稀释的碳。

功能模块的物种组成

(i)简单基质模块。该模块包括常见的代谢中间体(单糖、氨基糖、有机酸和小碳化合物)来代表土壤中存在的各种分类单元的不同范围的代谢能力。主要由变形菌主导，特别是假单胞菌属，其相对丰度从土壤对照中的10.8%增加到简单基质模块的90.7%，反映出它们在液体培养基中的基质上快速生长的能力。一些模块也富集了放线菌门和/或厚壁菌门。

(2)抗生素模块。抗生素与土壤系统有关，因为它们是由一些土壤微生物产生的，在微生物之间的竞争或信号传导中发挥作用。变形杆菌(主要是假单胞菌)在氯霉素、红霉素和杀菌剂中占主导地位。庆大霉素和链霉素在拟杆菌门、梭状杆菌和黄杆菌类中富集。

(3)多糖模块。包括植物或真菌多糖或双糖，这些通常在含有降解木质纤维素生物质的土壤中发现。除了变形菌门，放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门也大量富集。

(4)厌氧模块。变形菌门减少和厚壁菌门增加。

(5)压力模块。盐胁迫和热胁迫模块与大多数其他模块分开。热富集了 Bacilli, 盐富集了Actinobacteria。木糖和木聚糖盐胁迫模块中出现了其他模块中没有的门(Gemmatimonadetes, Acidobacteria, Verrucomicrobia)。

功能模块代表的土壤多样性

将功能模块与原生土壤控制群落（717个OTU，25个门）进行比较，以确定捕获土壤分类学多样性的情况。每个功能模块的核心微生物计算方法为OTU出现在≥40%的重复中，且累积相对丰富度≥0.01%。得到OUT最多的模块是压力模块（179 OTU）和多糖模块（80 OTU）。

宏转录组分析表明不同模块之间功能也存在很大差异。