定量框架揭示氣候變暖對(duì)草原微生物群落聚集的生態(tài)驅(qū)動(dòng)力

1、.定量框架揭示氣候變暖對(duì)草原微生物群落聚集的生態(tài)驅(qū)動(dòng)力美格基因本期佳作通過定量框架iCAMP框架，對(duì)微生物群落構(gòu)建過程的影響因素進(jìn)行探究，從而量化生態(tài)條件變化對(duì)微生物群落構(gòu)建的影響，并對(duì)動(dòng)植物的生態(tài)學(xué)提供了一定的參考意義。原文于2020年9月在Nature munications上在線發(fā)表。本文通訊作者為美格基因首席科學(xué)顧問，環(huán)境功能芯片GeoChip創(chuàng)始人，美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)周集中教授。定量框架揭示氣候變暖對(duì)草原微生物群落聚集的生態(tài)驅(qū)動(dòng)力A quantitative framework reveals ecological drivers of grassland microbial mun

2、ity assembly in response to warming作者：Daliang Ning 1,2, Mengting Yuan 1,3, Linwei Wu 1 , Ya Zhang1 , Xue Guo 1,2, Xishu Zhou1,4, Yunfeng Yang 2, Adam P. Arkin5,6, Mary K. Firestone3,7 & Jizhong Zhou 1,2,7,8期刊：Nature munications時(shí)間：2020.09.18影響因子：12.121文章摘要揭示控制微生物群落的驅(qū)動(dòng)力是生態(tài)學(xué)中的核心問題。目前人們普遍認(rèn)為選擇、分散、多樣性

3、和生態(tài)漂變是微生物群落構(gòu)建過程的重要影響因素，但分辨其中的重要程度是困難但具有意義的。在本文中作者提出了iCAMP框架，通過此框架可推測(cè)微生物群落構(gòu)建過程的影響因素，iCAMP在模擬微生物群落上表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確度（0.93-0.99）、精確度（0.8-0.94）、敏感度（0.82-0.94）和特異性（0.95-0.98）。將iCAMP框架應(yīng)用在草地微生物群落應(yīng)對(duì)氣候變暖的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，顯示出均質(zhì)選擇（38%）和生態(tài)漂變（59%）的主要影響作用，特別的是隨著時(shí)間的推移，氣候變暖減少了生態(tài)漂變，并增強(qiáng)了作用于芽孢桿菌的均質(zhì)選擇。本文結(jié)果表明，iCAMP可量化生態(tài)條件變化對(duì)微生物群落構(gòu)建的影響，并對(duì)動(dòng)

4、植物的生態(tài)學(xué)提供了一定的參考意義。主要內(nèi)容1.iCAMP的介紹為了量化生態(tài)條件變化過程，首先根據(jù)它們的系統(tǒng)關(guān)系將觀察到的分類單元?jiǎng)澐殖刹煌M，然后通過NRI指數(shù)對(duì)系統(tǒng)多樣性進(jìn)行零模型分析，同時(shí)使用改進(jìn)的Raup-Crick（RC）進(jìn)行多樣性分析從而確認(rèn)控制每個(gè)組的過程（圖1）。隨后，根據(jù)每組的相對(duì)豐度對(duì)所有組的各個(gè)過程進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，匯總估計(jì)整個(gè)微生物群落的各組的相對(duì)重要性。此外，運(yùn)用多種統(tǒng)計(jì)學(xué)分析揭示各組與不同環(huán)境因素之間的聯(lián)系，從而得知對(duì)微生物群落構(gòu)建過程的深入了解。除了NRI和RC之外，iCAMP還結(jié)合了基于零模型分析的直接檢驗(yàn)，其結(jié)果與本研究中的具有高度相似性。圖1.iCAMP的關(guān)鍵步驟

5、介紹2.iCAMP與其他方法的比較通過測(cè)試確認(rèn)適當(dāng)?shù)姆治鰠?shù)之后，將iCAMP和以往研究報(bào)道的幾種可模擬微生物群落的方法進(jìn)行比較（圖2）。首先使用五種方法對(duì)微生物群落的生態(tài)隨機(jī)性進(jìn)行量化，在高系統(tǒng)發(fā)生信號(hào)和中系統(tǒng)發(fā)生信號(hào)的情況下，iCAMP始終表現(xiàn)出最高的定量準(zhǔn)確度（0.978-0.997）和定量精確度（0.903-0.93），而pNST有著相似的定量準(zhǔn)確度（0.924-0.954）但定量精確度較低。在低系統(tǒng)發(fā)生信號(hào)中，iCAMP繼續(xù)顯示最高的定量準(zhǔn)確度（0.807）和第二高的定量精確度（0.77），而pNST表現(xiàn)出相似的定量準(zhǔn)確度和最高的定量精確度。目前只有QPEN和iCAMP可以量化不同生

6、態(tài)過程中的相對(duì)重要性，因此對(duì)它們進(jìn)行了比較，總的而言，iCAMP的準(zhǔn)確性、精確度、靈敏度和特異性高于QPEN。圖2.iCAMP與其他方法進(jìn)行微生物群落模擬構(gòu)建的性能對(duì)比3.氣候變暖對(duì)草原細(xì)菌聚集的影響為了確認(rèn)iCAMP在真實(shí)研究的實(shí)用性和有效性，作者將iCAMP應(yīng)用在升溫下的草原土壤細(xì)菌群落聚集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中。根據(jù)iCAMP分析，在細(xì)菌群落構(gòu)建中，均質(zhì)選擇和生態(tài)漂變比其他影響因素更加重要，平均重要性分別是37%-38.5%和58.3%-59.9%（圖3）。氣候變暖顯著改變了不同因素的相對(duì)重要性，例如降低了生態(tài)漂變的相對(duì)重要性，并增加了均質(zhì)選擇的相對(duì)重要性，并觀察到均質(zhì)選擇和生態(tài)漂變的變化與氣

7、候變暖的時(shí)間密切相關(guān)，總結(jié)來說氣候變暖對(duì)土壤細(xì)菌群落施加的選擇壓力隨時(shí)間而逐漸增加。圖3.在氣候變暖的情況下不同的生態(tài)影響因素對(duì)微生物群落構(gòu)建的相對(duì)重要性分析4.影響生態(tài)過程的環(huán)境因素用Mantel試驗(yàn)和MRM進(jìn)一步確認(rèn)環(huán)境因素對(duì)各種生態(tài)過程的影響。由于其他過程的相對(duì)重要性較低，因此主要關(guān)注均質(zhì)選擇和生態(tài)漂變?？偠灾?，這兩個(gè)因素與水、溫度和植物相關(guān)的環(huán)境因素顯著相關(guān)，尤其是氣候變暖使這種聯(lián)系變化巨大（圖4）?？紤]到多個(gè)因素之間的潛在顯著相關(guān)性，MRM被進(jìn)一步用于確認(rèn)不同環(huán)境因素對(duì)同質(zhì)選擇的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，MRM模型能夠解釋氣候變暖條件下均質(zhì)選擇的大部分變化。解釋均質(zhì)選擇的重要變量是氣候變暖情況下采樣時(shí)的土壤溫度，以及在對(duì)照條件下的土壤溫度的差異。同時(shí)一些與水和植物相關(guān)的變量也表現(xiàn)出顯著的影響，如植物總生物量、植物豐富度和土壤水分等。圖4.環(huán)境因素對(duì)均質(zhì)選擇的影響總結(jié)本文提出的iCAMP框架，可用于基于個(gè)體的系統(tǒng)發(fā)生群體來量化微生物群落多樣性和不同生態(tài)因素的相對(duì)重要性。與以往的分析方法相比，iCAMP具有更高的準(zhǔn)確度、精確度、靈敏度和特異性，