编译：陶陶，编辑：小菌菌、江舜尧。

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在本研究中，我们认为根系功能分散(R-FDis)可以解释树种组成对细菌群落的确定性影响。此外，我们认为在这些细菌群落中，影响植物表现的基因的丰富性是细菌功能的代表。基于这一双重假设，本研究旨在分析树根功能分散对土壤细菌群落及其功能的影响。

挑选的地块位于欧洲四种主要森林类型的纬度梯度上:北方森林(芬兰)、半北方森林(波兰)、山毛榉山地森林(罗马尼亚)和嗜热落叶森林(意大利)，共64个地块。包括13种主要树种和33种不同树种，从中收集根部的土壤。种植了三个主要树种的地块包括：冷杉(Abies alba)、欧亚槭(Acer pseudoplatanus)、白桦(Betula pendula)、欧洲鹅耳枥(Carpinus betulus)、欧洲板栗(Castaneasativa)、紫叶欧洲山毛榉(Fagus sylvatica)、鹅耳枥(Ostrya carpinifolia)、云杉(Piceaabies)、樟子松(Pinus sylvestris)、土耳其栎(Quercus cerris)、刺叶栎(Quercus ilex)、无梗花栎(Quercus petraea)和罗布栎(Quercusrobur)。

在30×30m的成熟林样地中，我们从5个10×10m的小样地中抽取样本。土壤样本是在属于一种(单一种)或不同种(多种)的三棵树等距处采集的。每个小区去除森林植物后，用裂管采样器(Eijkelkamp，内径5.3 cm)取样，取两个土壤样品，一个用于分子微生物鉴定，另一个用于根系性状分析。用于分子分析的土壤样品在-4℃下运输，土壤和根系样品在-20℃下冷冻保存，直到进一步测定。

我们通过对以上34个欧洲多物种和相应的单种林地的树根性状进行特征分析来确定R-FDis指数。利用16S的Illumina测序，我们将R-FDis与土壤细菌群落及其功能基因图谱进行了关联，这是通过计算机分析得出的。此外，我们还确定了与维持树木健康和适合度有关的最重要的细菌分类群。

1 功能分散中的细菌丰度和多样性

多种林中在R-FDis梯度的细菌相对丰度最高的是变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria) (图1A)，其次是放线杆菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和拟杆菌门(Bacteroidetes)，它们的相对丰度随着R-FDis的增加而显示出相似的相对丰度。然而，细菌丰度的变化在R-FDis的1.2和2左右是动态的(图1A)。在门水平上，酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的香农指数有增加的趋势，但与R-FDis的相关性很弱(图1B)。

图1 在根系功能分散指数上，多物种森林样地中8个优势细菌门的相对丰度(A)和香农指数(B)。

2 根功能分散的细菌功能

单一物种林到多种林，细菌功能(总体)呈增加趋势。然而，对于单独考虑的细菌基因和细菌多功能指数(M_C、M_N、M_P、M_S、M_Abiotic和 M_Biotic,或M_overall)，多种林的R-FDis值较低时，基因丰度达到最高。此外，对于所有的基因组，R-FDis值的增加会导致细菌功能的降低(图2)。我们发现R-FDis与M_overall之间存在显著的相关性(Rho=-0.34,p=0.04)，与M_C、M_P、M_Abiotic和 M_Biotic之间也存在显著的相关性。

图2 在多树种林分中按植物促进生长活动对细菌功能进行分组。蓝线表示显著的相关性。阴影区域表示预测的95%置信区间。给出了Spearman关联的Rho和p值。

3 树种丰富度、根系功能分散度(R-FDis)和林地组成对PGPA相关细菌功能的影响

图3A显示了细菌功能按R-FDis分类的多种林组成情况。一般来说，R-FDis较低的地块具有较高的细菌功能。结果表明，当林地组成刺激某一特定植物的大量生长促进活动(PGPA; M指数)时，所有其他PGPA都表现出类似的趋势。一个例外是与S周期相关的基因丰富度，这在R-FDis很高或很低的情况下显示出截然不同的结果。我们的模型表明，与树木丰富度或R-FDis的影响相比，树种组成对总体有显著影响，其中每个基因组通过显著降低AIC值来支持树的适合度、健康和营养。评估树木物种丰富度或R-FDis作为基因功能的唯一固定变量的影响，我们发现反应较弱。然而，当我们在我们的模型中同时使用这两个变量时，模型的显著性有所提高。此外，我们的模型表明，C、P、非生物和生物应激源基因对树种丰富度和R-FDis的响应是正的，而与S和N循环相关的基因对树种丰富度和R-FDis的响应程度较小。此外，我们还发现小区内常绿比例树对所有的M指数都有显著的影响。结果表明，常绿树种比例过高对细菌功能有负面影响。由于树木组成与PGPA基因丰度的相关性已被揭示，图3B显示了由M_overall排列的各自的单种细菌功能，较高的值与C、P和S有关。此外，一些单种林的丰度高于它们各自的多种林地。

图3 细菌功能与R-FDis和样地树木组成的关系：(A)按R-FDis值顺序排列的多种样地树木组成 (B)按多丰度顺序排列的单种样地树木组成   Aa,Abies alba;Ap, Acer pseudoplatanus; Bp,Betula pendula; Cb, Carpinus betulus;Cs,Castanea sativa; Fs, Fagus sylvatica; Oc,Ostrya carpinifolia;Pa, Picea abies; Ps, Pinus sylvestris; Qc, Quercus cerris;Qi, Quercus ilex; Qp, Quercus petraea; Qr, Quercus robur.（树种名称参考实验设计）

4 森林系统中涉及多功能的细菌类群及其组成

我们鉴定了在小M_overal和大M_overal下具有明显不同丰度的细菌群落，在总共25221个细菌OTU中，只有1.4%的细菌具有不同的丰度。与大M_overal样地的129个OTU相比，小M_overal样地的差异OTU数为226个。变形菌门(Proteobacteria)占最大的OTU数量，而螺旋菌门(Spirochaetae)、广古菌门(Latescibacteria)、Ignavibacteriae、Gal 15、纤维杆菌门(Fibrobacteres)、迷踪菌门(Elusimicrobia)和蓝藻细菌(Cyanobacteria)仅占一个OTU。总体而言，对于每个门，小M_overal比大M_overal表现出更多的差异OTU，但螺旋菌门(Spirochaetae)、Planctomycates、Latescibaces、Gemmatmonadetes、Elusimmicrobia、蓝藻细菌(Cyanobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)则相反(图4)。

网络分析表明，与单一种林分相比，多种林分具有较高的连通性(图5;表1)。多树种林网络中较高的边数反映了树木多种林的整体连通性水平。多种林分的聚类系数也较高，特别是在R-FDis值较低的林木中。此外，多树种林分比单一树种林具有更高的复杂性。然而，在多树种林中，低R-FDis值的样地复杂度较高，随后R-FDis值较高的样地和中等R-FDis值的样地的复杂性较高。R-FDis与连锁密度呈正相关(r=0.44,p<0.001)。此外，我们还发现了连锁密度与M_overal之间的相关性(r=0.33,p<0.001)。相似性分析(ANOSIM)结果表明，森林类型(R=0.4561,p=0.001)和样地组成(R=0.2768,p=0.001)决定了细菌群落组成，森林系统和R-FDis的影响不显著。

图4 在小M_overal和大M_overal下具有不同丰度的细菌OTU及其相关的生活策略；所显示的OTU以p-adjust<0.01进行选择；两侧的数字表示每个门的OTU计数，并且在每列的顶部显示与低和高总体多功能性相关的具有不同丰度的OTU总数。

图5 基于不同丰度的OTU_S细菌群落组成的多物种和单物种森林样地网络；大小和颜色表示总体多功能性(M_overal)和形状根系功能分散(R-FDis)；虚线表示样地模块；Aa,Abies alba; Ap, Acerpseudoplatanus; Bp, Betula pendula; Cb, Carpinus betulus; Cs, Castanea sativa;Fs, Fagus sylvatica; Oc, Ostrya carpinifolia; Pa, Picea abies; Ps, Pinussylvestris; Qc, Quercus cerris; Qi, Quercus ilex; Qp, Quercus petraea; Qr,Quercus robur.（树种名称参考实验设计）

_{表1 图5所示的单种和多种林地细菌群落的网络特性。}

我们的研究评估了四种不同森林类型在不同环境条件下的土壤细菌群落，这些土壤细菌群落涵盖了普通欧洲树木的广泛的根系特征。考虑到8个优势门，R-FDis的这种梯度与细菌的相对丰度或多样性没有显着的相关性。这些缺失的关系可能表明，其他强烈影响细菌多样性的因素造成了混杂效应，例如年度降水量、土壤有机质、pH和养分有效性。或者与树木相关的土壤细菌的多样性更可能受到树种特性的影响，而不是受树种丰富度的影响。分叉的根系还需要适当的根系性状组合来提高细菌的生物多样性。然而，我们发现细菌丰度和多样性从单一种林地到多种林地都有增加的趋势。这一发现表明，土壤细菌多样性对根系性状表达的变化很敏感。

PGPA相关基因衍生的细菌功能对R-FDis有明显的响应。PGPA从单一物种林分到多物种林分的不断增加支持了树木生物多样性和生态系统服务之间现有协同效应的观点。我们的结果补充说明，多物种森林可以通过增加与养分周转和适应生物和非生物胁迫相关的细菌基因的丰度来刺激自身的树木生长和适合性。此外，与较高的根系性状分散水平相比，低水平的根系性状分散对基因丰度的影响更大。研究表明，根部性状的高度分散性和生态位异质性会降低细菌PGPA基因的丰度，从而起到相反的作用。一般来说，阔叶树种比常绿树种支持更高的细菌功能。常绿树种的叶凋落物和根的沉积导致土壤pH低，这介导了微生物过程，进而影响了细菌群落、酶的动态和效率。在多物种森林中，细菌功能受到样地树木组成及其相对树木丰富度(即树木优势度)的影响，这可能会增加或降低PGPA基因的丰富度。

尽管我们的土壤中细菌的相对丰度普遍很高，但只有少数分类群(355个OTU)在小M_overal和大M_overal的地块之间表现出不同的丰度。许多差异丰富的细菌分类群属于变形杆菌、放线菌和酸杆菌，它们通常代表核心微生物群，涵盖主要的土壤功能。伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)、根瘤菌(Rhizobium)和链霉菌(Streptomyceses)的细菌属也以涵盖呼吸、氮、磷循环和有机质分解等“基本”功能而闻名。根据这些报告，我们还发现了具有相似功能的代表性细菌。研究表明，多物种样地中的细菌群落与单种样地中的细菌群落具有相同的功能，尽管它们的类群数量较少，但丰度不同。在多物种森林中，细菌群落对干扰的适应性和弹性更强，因为细菌分类群的数量增加，执行“稀有”任务，例如顽固性有机污染物的产甲烷和矿化，以及“基本”功能。此外，多物种样地中的细菌群落表现出丰富的细菌特性多样性，这也解释了更高的森林功能。

多物种林地拥有更多相似的细菌群落，这导致了与单一物种对应的三倍高的连接性。先前的共生网络分析表明，微生物对生态系统功能的贡献在高度复杂的系统中更优越，其特点是具有高弹性和对环境干扰的抵抗力。此外，多物种系统在其细菌群落中具有更高的复杂性，特别是在低R-FDis水平下，这可能表明系统更稳定。多种样地能够容纳各种细菌并保持相应功能。我们没有发现R-FDis对细菌群落组成的直接影响。可能，我们的根部性状分歧没有能力代表影响细菌群落的不同输入。因此，包括与根系沉积、根毛长度和密度相关的其他根系性状可能有利于进一步解释细菌模式。此外，我们认为，在分析根际土壤而不是根区土壤时，根分散对细菌群落组成的影响可能会增加，因为这种根的接近强烈地塑造了细菌组成。总体而言，我们的研究标志着用预测方法量化PGPR基因活动的子集对树木健康和性能的影响的第一步。未来的研究应该着眼于通过使用具有与预测的微生物表型相关的完整基因组序列的元数据库来获得对这些PGPR活动的更全面的看法。

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