凌恩客户文献|SBB：网络分析和培养组学共同揭示参与秸秆降解的关键微生物类群

近日，凌恩生物客户南京农业大学在中科院一区Soil Biology and Biochemistry（IF=7.609）期刊发表题为“Network analysis and subsequent culturing reveal keystone taxa involved in microbial litter decomposition dynamics”的研究论文（Doi: 10.1016/j.soilbio.2021.108230）。

研究背景

土壤中植物凋落物的分解受细菌和真菌等微生物控制，这些微生物在分解过程中定居在木质纤维素残留物中，因此，探究细菌和真菌群落之间的相互作用有助于我们深入了解木质纤维素的分解动力学特征。

实验设计

在中国南京的三个地点进行了秸秆降解实验。紫金山：林地；秦岭镇：七年稻田；八卦镇：废弃农田。

土壤理化因子检测结果如下：

研究结果

01、秸秆降解动力学特征和酶活性

土地利用方式随时间推移对凋落物分解具有明显影响，其中林地表现出最高的秸秆降解率，而废弃的农田在第2周和第12周具有最低的凋秸秆降解。

图1 不同土地利用方式下秸秆降解率及其组分变

这三个土地中4种木质纤维素降解酶活性（纤维二糖水解酶，β-葡萄糖苷酶，β-木聚糖酶和漆酶）差异显著，林地中所有酶的活性均显着高于农田和废弃农田中的酶活性。三种土地利用类型的秸秆分解与相关酶活性之间有很强的联系，这也解释了为何林地中秸秆降解最快。

图2 不同土地利用方式下纤维二糖水解酶（a）、β-葡萄糖苷酶（b）、β-木聚糖酶（c）和漆酶（d）活性变化

02、秸秆降解过程中微生物群落的演替

细菌和真菌群落均随时间显着变化。早期（第2、4周），林地总细菌绝对丰度明显高于农田和废弃农田。秸秆降解开始后，各土壤中的细菌和真菌OTUs的丰富度立即下降，说明周围土体里的一些微生物类群被富集起来降解稻秆。所有样品中的Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria和Chloroflexi是优势菌门。

土地利用方式仅对真菌群落有影响。从第2周到第6周，林地中的总体真菌绝对丰度显著下降，而从第8周到第12周则显著增加。在所有时间点，林地中的真菌绝对丰度均显着高于农田和荒地中的真菌绝对丰度。

每种土地利用方式下的每个时间点，微生物演替、酶活性和秸秆降解动力学之间的相关性都不同。

图3 不同土地利用方式下细菌和真菌的总体丰度（a-b）、多样性（c-d）、群落结构（e-f）和分类组成（g-h）的变化

03、共发生网络和keystone物种

三种土地类型的网络复杂性差异很大。与稻田和废弃农田相比，林地中的微生物群落网络复杂程度较低，边较少（3368），平均程度较低（16.84），平均聚类系数较低（0.63）。废弃农田中的网络最为复杂，边、平均程度和聚类系数更高。

为验证经网络分析确定的keystone关键类群功能，我们将培养结果与网络分析结果进行匹配，确定了5个可培养菌株：林地中的TU3451（Penicillium sp. ZJ-F2）和TU3409（Fusarium sp. ZJ-F3）、农田中的OTU10384（Chryseobacterium sp. QL-B4）和TU84（Aspergillus aculeatus QL-F3）、废弃农田中的TU1317（Aspergillus sp. BG-F2）（图4b）。

图4 不同土地利用方式下共生细菌和真菌OTU网络（a）、共生网络参数与关键物种（b）

04、后续培养组学验证潜在关键物种的秸秆降解能

研究通过后续分类培养，获得了降解纤维素的34种细菌和17种真菌。评估了五种主要菌株的降解秸秆能力。来自林地的ZJ-F2具有比来自其他两个地点的菌株具有明显更高的秸秆降解能力。另一株菌株ZJ-F3对秸秆的降解能力与菌株BG-F2相似，而其降解效果优于菌株QL-B4和菌株QL-F3。

秸秆降解分解与总酶指数之间的正相关进一步证实了秸秆降解与关键微生物类群之间的联系。林地中具有降解秸秆能力较强的关键微生物。

这些结果表明，共发生网络可用于推定关键微生物类群，以进一步筛选并将它们与微生物组功能联系起来。

图5 潜在关键物种与秸秆液体发酵降解7天后的秸秆降解（a）、总酶指数（b）、秸秆降解率与木质纤维素降解酶活性之间的线性回归（c）

总之，研究结果表明，在秸秆降解过程中，木质素分解酶活性、微生物群落结构和共生模式均发生了变化，这些模式主要受土地利用方式驱动。林地土壤中秸秆降解效率更高与更高的木质素分解酶活性、更大的微生物多样性以及更简单但更特殊的微生物网络有关，并且具有一些参与降解的关键微生物类群。此外，利用培养组学验证的关键菌群进行代谢建模和微生物组工程具有重要意义。

参考文献：

Network analysis and subsequent culturing reveal keystone taxa involved in microbial litter decomposition dynamics. Soil Biology and Biochemistry, 2021.

Doi: 10.1016/j.soilbio.2021.108230