Ο κύκλος του στοιχείου της ριζόσφαιρας, η πολυλειτουργικότητα, η υπέργεια παραγωγικότητα και οι ανταλλαγές προβλέπονται καλύτερα από τα σπάνια ταξινόμηση της ριζόσφαιρας
- 1 School of Life Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang, Κίνα
- 2 Guizhou Institute of Prataculture, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang, Κίνα
- 3 College of Animal Science, Πανεπιστήμιο Guizhou, Guiyang, Κίνα
Τα μικρόβια, ιδιαίτερα τα άφθονα μικρόβια σε χύδην εδάφη, σχηματίζουν πολλαπλές λειτουργίες οικοσυστήματος, κάτι που είναι σχετικά καλά μελετημένο. Ωστόσο, ο ρόλος των μικροβίων της ριζόσφαιρας, ιδιαίτερα των σπάνιων ταξινομικών κατηγοριών της ριζόσφαιρας έναντι των ταξινομικών κατηγοριών άφθονων ριζόσφαιρων στη ρύθμιση του κύκλου του στοιχείου, της πολυλειτουργικότητας, της υπέργειας καθαρής πρωτογενούς παραγωγικότητας (ANPP) και των αντισταθμίσεων πολλαπλών λειτουργιών παραμένει σε μεγάλο βαθμό άγνωστος. Εδώ, συγκρίναμε τις πολλαπλές λειτουργίες του οικοσυστήματος, τη δομή και τη λειτουργία των βακτηριακών και μυκητιακών υποκοινοτήτων του εδάφους της ριζόσφαιρας (τοπικά σπάνιες, τοπικά άφθονες, περιφερειακά σπάνιες, περιφερειακά άφθονες και ολόκληρες) και τον ρόλο των υποκοινοτήτων στη γλώσσα Zea mays και Sophora davidii και Z. mays/S. οικοσυστήματα διακαλλιέργειας davidii στην υποτροπική Κίνα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ενδοκαλλιέργεια αλλοίωσε πολλαπλές λειτουργίες οικοσυστήματος μεμονωμένα και ταυτόχρονα. Το διακαλλιεργημένο Z. mays μείωσε σημαντικά την ένταση αντιστάθμισης σε σύγκριση με το μόνο Z. mays, η ένταση αντιστάθμισης υπό παρεμβολές S. davidii ήταν σημαντικά υψηλότερη από ό,τι με το μεσοκαλλιεργημένο Z. mays. Οι βήτα ποικιλίες των βακτηριακών και μυκητιακών κοινοτήτων και οι μυκητιακές λειτουργίες σε κάθε υποκοινότητα διέφεραν σημαντικά μεταξύ των ομάδων. Η ανάλυση δικτύου έδειξε ότι η αλληλοκαλλιέργεια αύξησε την πολυπλοκότητα και τους θετικούς δεσμούς των σπάνιων βακτηρίων στη ριζόσφαιρα Z. mays, αλλά μείωσε την πολυπλοκότητα και τους θετικούς δεσμούς των σπάνιων βακτηρίων στη ριζόσφαιρα S. davidii και την πολυπλοκότητα και τους θετικούς δεσμούς των μυκήτων και στα δύο φυτά ριζόσφαιρα. Η δοκιμή Mantel έδειξε σημαντικές αλλαγές στα είδη των τοπικά σπάνιων βακτηρίων που σχετίζονται περισσότερο με την πολυλειτουργικότητα του κύκλου αζώτου, το ANPP και την ένταση των αντισταθμίσεων, Οι σημαντικές αλλαγές στα είδη τοπικά σπάνιων μυκήτων σχετίζονταν πιο έντονα με την πολυλειτουργικότητα του κύκλου άνθρακα, την πολυλειτουργικότητα του κύκλου φωσφόρου και τη μέση πολυλειτουργικότητα του οικοσυστήματος. Αυτή η έρευνα υπογραμμίζει τη δυνατότητα και τον ρόλο των σπάνιων μικροοργανισμών της ριζόσφαιρας στην πρόβλεψη και τη ρύθμιση των λειτουργιών του συστήματος, της παραγωγικότητας και των ανταλλαγών.
Εισαγωγή
Οι απώλειες σε ταξινομικές και λειτουργικές ποικιλίες είναι διάχυτες τόσο σε παγκόσμια όσο και σε τοπική κλίμακα (Radchuk et al., 2016; Baldrighi et al., 2017; Huang et al., 2019). Αυτή η τάση προβλέπεται να συνεχιστεί σε αυτόν τον αιώνα (Huang et al., 2019) και εγείρει αυξανόμενες ανησυχίες σχετικά με την επίδραση της βιοποικιλότητας στις λειτουργίες του οικοσυστήματος (Karolína et al., 2014; Radchuk et al., 2016; Baldrighi et al., 2017). Σε αντίθεση με τη χλωρίδα (Niklaus et al., 2017; Wang et al., 2020b) ή την πανίδα (Gagic et al., 2015; Tonin et al., 2018) και τα δύο έχουν μελετηθεί καλά στις μελέτες της σχέσης μεταξύ βιοποικιλότητας και οικοσυστήματος λειτουργία, οι μικροοργανισμοί του εδάφους αντιπροσωπεύουν την πλουσιότερη και την υψηλότερη ποικιλομορφία ζωής (Delgado-Baquerizo et al., 2017; Luo et al., 2018; Chen et al., 2020a), ωστόσο, οι σχέσεις μεταξύ των μικροοργανισμών του εδάφους και των λειτουργιών του οικοσυστήματος δεν είναι πλήρως κατανοητές (Delgado-Baquerizo et al., 2017). Προηγούμενες μελέτες έχουν βρει ότι τα μικρόβια του εδάφους συμβάλλουν στην ταυτόχρονη οδήγηση πολλαπλών λειτουργιών του οικοσυστήματος (MF) (Fanin et al., 2017; Jiao et al., 2018; Chen et al., 2020a), όπως ο κύκλος του άνθρακα και των θρεπτικών ουσιών (Delgado-Baquerizo et al., 2017· Jiao et al., 2018) και παραγωγικότητα (George et al., 2019· Zheng et al., 2019). Ωστόσο, οι περισσότερες μελέτες έχουν επικεντρωθεί στις εύκρατες κοινότητες (Guerra et al., 2020) και στις κοινότητες χύδην εδάφους (Luo et al., 2018; Wen et al., 2020). Αντίθετα, τα υποτροπικά δεδομένα σχετικά με τη μικροβιακή ποικιλότητα του εδάφους και τις λειτουργίες του οικοσυστήματος είναι ιδιαίτερα ελάχιστα (Guerra et al., 2020). Επιπλέον, η ριζόσφαιρα είναι ένα πραγματικό καυτό σημείο αλληλεπιδράσεων φυτών-μικροβίων-εδάφους, και οι μικροβιακές κοινότητες της ριζόσφαιρας είναι σαφώς διακριτές από το περιβάλλον χύμα του εδάφους (Fan et al., 2017; Jiao et al., 2018), επειδή τα φυτά φιλτράρουν τα μικρόβια για ειδικές δομές και λειτουργία (Del Galdo Jos et al., 2003), ωφελούν την ανάπτυξη, τη διατροφή (Mendes et al., 2014) και τη λειτουργία τους (Lu et al., 2018). Παρόλα αυτά, ο τρόπος με τον οποίο οι βακτηριακές και μυκητιακές κοινότητες της ριζόσφαιρας συμμετέχουν στον κύκλο των θρεπτικών συστατικών του εδάφους της ριζόσφαιρας και καθοδηγούν τις πολλαπλές λειτουργίες της ριζόσφαιρας, την υπέργεια πρωτογενή παραγωγικότητα και τις ανταλλαγές μεταξύ των λειτουργιών παραμένει λιγότερο ρητά αναγνωρισμένο. Αν και τα βακτήρια και οι μύκητες είναι οι πιο συχνά μελετημένες κοινότητες στην έρευνα για τη βιοποικιλότητα του εδάφους και τη λειτουργία του οικοσυστήματος (Guerra et al., 2020), οι επιδράσεις της ποικιλομορφίας τους στις λειτουργίες του οικοσυστήματος δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί πλήρως για τα εδάφη της ριζόσφαιρας.
Επιπλέον, η πλειονότητα των μελετών βασίστηκε σε άφθονα είδη μικροβιώματος (Chen et al., 2020a; Liang et al., 2020). Ένας μεγάλος αριθμός κατηγοριών χαμηλής αφθονίας (σπάνιες μικροβιακές ταξινομήσεις) διαγράφηκε πριν από την ανάλυση δεδομένων μικροβιώματος (Lynch and Neufeld, 2015· Jousset et al., 2017· Chen et al., 2020a). Ωστόσο, υπάρχει μια θεωρητική αντίφαση για αυτή τη διαγραφή. Από τη μία πλευρά, η υπόθεση της επιρροής αναλογίας μάζας δηλώνει (Grime, 1998) ότι οι επιρροές των ειδών/λειτουργιών σε μια λειτουργία/διαδικασία οικοσυστήματος είναι ανάλογες με τη βιομάζα/τη σχετική αφθονία τους (Karolína et al., 2014; Bagousse-Pingueta et. al., 2019), υπό αυτή την έννοια, μπορεί να είναι λογικό να εστιάσουμε μόνο στον ρόλο των άφθονων ταξινομικών ομάδων. Από την άλλη πλευρά, τα περισσότερα taxa σε όλα σχεδόν τα οικοσυστήματα είναι χαμηλής αφθονίας (σπάνια) (David et al., 2013; Jain et al., 2014; Lynch and Neufeld, 2015), και τα κυρίαρχα είδη αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο μέρος της συνολικής αφθονίας (Dee et al., 2019), με αποτέλεσμα υψηλή ποικιλότητα στη σπάνια υποκοινότητα (Jain et al., 2014· Lynch and Neufeld, 2015) και χαμηλή ποικιλότητα στην κυρίαρχη υποκοινότητα. Γενικά, το αποτέλεσμα επιλογής [επιλογή/εμφάνιση ορισμένων συγκεκριμένων ειδών (ή λειτουργιών)/επιδράσεις ταυτότητας] και το συμπληρωματικό αποτέλεσμα (διαμερισμός θέσεων/διαφορετική χρήση πόρων/διευκόλυνση) είναι αναγνωρισμένοι μηχανισμοί για την ερμηνεία του ρόλου της βιοποικιλότητας στη διαμόρφωση των λειτουργιών του οικοσυστήματος (Loreau, 2000· Mensah et al., 2020· Ding and Wang, 2021). Εφόσον η υψηλή ποικιλομορφία ειδών θα πρέπει να αυξήσει την πιθανότητα του αποτελέσματος επιλογής (Mensah et al., 2020) ή/και του συμπληρωματικού αποτελέσματος (Mensah et al., 2018), σπάνιες υποκοινότητες ή οι λειτουργίες τους συμπεραίνεται ότι συμβάλλουν σε μεγαλύτερη αναλογία σε μια δεδομένη λειτουργία οικοσυστήματος από την κυρίαρχη. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την υπόθεση του λόγου μάζας. Επιπλέον, η διαγραφή άλλαξε ουσιαστικά το προφίλ των σπάνιων ταξινομικών κατηγοριών (Chen et al., 2020a). Δυστυχώς, τα σπάνια είδη είναι συχνά πιο ευαίσθητα (Jain et al., 2014; Guo et al., 2020; Zhou et al., 2020b) και είναι ευάλωτα να εξαφανιστούν πρώτα (David et al., 2013). Επομένως, εάν το παραπάνω συμπέρασμα είναι αληθές, η διατήρηση και η χρήση σπάνιων ειδών θα είναι πιο επιτακτική από εκείνες των ειδών αφθονίας για τη διατήρηση των λειτουργιών του οικοσυστήματος. Ωστόσο, ο οικολογικός ρόλος των σπάνιων ειδών είναι ελάχιστα γνωστός (Säterberg et al., 2019). Αν και τα αποτελέσματα της συμπληρωματικότητας και της επιλογής συμβάλλουν στο MF, οι σχετικές συνεισφορές τους παραμένουν αμφιλεγόμενες (Mensah et al., 2020). Εξάλλου,
Σε αυτή τη μελέτη, η υπόθεσή μας ήταν ότι τα σπάνια taxa της ριζόσφαιρας συνέβαλαν σε πολλαπλές λειτουργίες και συμβιβασμούς σε μεγαλύτερη αναλογία από τα άφθονα taxa. Για να εξετάσουμε αυτήν την υπόθεση, χαρακτηρίσαμε τη ριζόσφαιρα άφθονα και σπάνια βακτήρια και μύκητες, την πολυλειτουργικότητα της ριζόσφαιρας C/N/P-cycling, την πολυλειτουργικότητα του οικοσυστήματος, την υπέργεια καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα και τους συμβιβασμούς, καθώς και πώς τα βακτήρια και οι μύκητες με διαφορετική αφθονία σύνδεση με τις πολλαπλές λειτουργίες της ριζόσφαιρας, την υπέργεια καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα και τους συμβιβασμούς σε υποτροπικά συστήματα σόλας και ενδοκαλλιέργεια στην Κίνα.
Υλικά και μέθοδοι
Περιοχή μελέτης και σχεδιασμός
Η δειγματοληψία διεξήχθη σε κοινό κήπο καλλιέργειας στην Ακαδημία Γεωργικών Επιστημών Guizhou (26°30′N, 106°39′E, 1.100 m sl). Αυτή η περιοχή υφίσταται ένα βόρειο υποτροπικό κλίμα των μουσώνων που χαρακτηρίζεται από ετήσια βροχόπτωση 1.130 mm, ετήσια μέση θερμοκρασία αέρα 15,3°C και έδαφος απλικής αλισόλης. Το μοναδικό σύστημα και τα συστήματα διακαλλιέργειας επιλέχθηκαν με βάση το γεγονός ότι τα συστήματα μονοκαλλιέργειας μπορούν να μειώσουν τη βιοποικιλότητα (Shao et al., 2020), τα συστήματα διακαλλιέργειας μπορούν να ενισχύσουν τη βιοποικιλότητα (Martin-Guay et al., 2018; Dingha et al., 2021) και και τα δύο συστήματα χρησιμοποιούνται ευρέως σε όλο τον κόσμο. Ο πειραματικός σχεδιασμός ήταν ένας τυχαιοποιημένος σχεδιασμός μπλοκ (Luo et al., 2018) που δημιουργήθηκε με χρήση τριών συστημάτων καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των Sophora davidii (Franch.) monocropping (MS), Zea mays L. monocropping (MZ) και intercropping και των δύο (IS και IZ), την 1η Μαΐου 2019. Πέντε επαναλαμβανόμενα οικόπεδα (2 m x 5 m ανά επανάληψη) τακτοποιήθηκαν για κάθε σύστημα με διαστήματα 1 m. Το MS φυτεύτηκε με αποστάσεις σειρών και αποστάσεις φυτών 0,6 m, το MZ φυτεύτηκε με αποστάσεις σειρών 0,6 m και απόσταση φυτού 0,3 m. Οι αποστάσεις των σειρών και των φυτών του S. davidii (Franch.) και του Z. mays L. στο σύστημα ενδοκαλλιέργειας ήταν ίδιες με αυτές του συστήματος μονοκαλλιέργειας και η απόσταση μεταξύ των γειτονικών σειρών ήταν 0,3 m στο σύστημα ενδοκαλλιέργειας. Δεδομένου ότι αυτός ο σχεδιασμός μικρής κλίμακας μπορεί να ελαχιστοποιήσει τη διακύμανση σε κανέναν από τους μη σχεδιαστικούς παράγοντες, όπως οι τοπογραφίες, το κλίμα και ο τύπος εδάφους (Chen et al., 2020c; Ding and Wang, 2021), αυτή η προσέγγιση είναι βολική για τη σύγκριση των συνεισφορών της διαφορετικότητας έναντι άλλων οδηγών στη διαμόρφωση της λειτουργίας του οικοσυστήματος (van der Plas, 2019),
Το φρέσκο υπέργειο S. davidii και Z. mays συγκομίστηκαν χρησιμοποιώντας τετράγωνο 1 m 2 (1 × 1) στα αγροτεμάχια μονοκαλλιέργειας και ενδοκαλλιέργειας, αντίστοιχα, στις 11 Αυγούστου 2019. Αφού το νωπό σκοτώθηκε στους 105°C και ξηράνθηκε σε φούρνο 65°C, ελήφθη το ANPP. Έδαφος που προσκολλάται σφιχτά στις ρίζες (χώματα ριζόσφαιρας) συλλέχθηκε με τρέμουλο των ριζών (Xiong et al., 2020) και αναμίχθηκε για να ληφθεί ένα σύνθετο δείγμα για κάθε αντίγραφο. Το χώμα κοσκινίστηκε με πλέγματα 2 mm. Ελήφθησαν συνολικά 20 σύνθετα δείγματα [(δύο μονοκαλλιέργεια δύο ενδοκαλλιέργεια) × πέντε αντίγραφα]. Το δείγμα χωρίστηκε σε υποδείγματα για ανάλυση κατάντη.
Μεμονωμένες λειτουργίες ριζόσφαιρας
Οι φυσικοχημικές ιδιότητες της ριζόσφαιρας και οι δραστηριότητες των ενζύμων που κυκλώνουν C, N και P αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας τις μεθόδους που αναφέρονται σε προηγούμενες μελέτες (Zheng et al., 2019; Ding et al., 2020a,b) και τη συμπληρωματική περιγραφή της μεθόδου. Εν συντομία, το pH του εδάφους της ριζόσφαιρας μετρήθηκε με ένα εναιώρημα (έδαφος: νερό = 1:2,5 w/v). Η περιεκτικότητα σε νερό (WC, %) ελήφθη με ξήρανση σε φούρνο στους 105°C (Wang et al., 2022). Οι συναρτήσεις κύκλου C της ριζόσφαιρας χαρακτηρίστηκαν ως εξής (Bowker et al., 2013; Bastida et al., 2016; Luo et al., 2018; Ding et al., 2020a): ο οργανικός άνθρακας (g kg -1, OC ) ήταν προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας ογκομετρική μέθοδο διχρωμικού καλίου, β-γλυκοσιδάση (ένζυμο C-κυκλοφορίας, μmol d -1 g -1ξηρό έδαφος, βG) ανιχνεύθηκε χρησιμοποιώντας κιτ δοκιμής ELISA (Shanghai Enzyme-linked Biotechnology Co., Ltd., Κίνα). Ο άνθρακας της μικροβιακής βιομάζας (mg kg -1 , MBC) προσδιορίστηκε με τη μέθοδο υποκαπνισμού-εκχύλισης. Οι συναρτήσεις N-κύκλωσης της ριζόσφαιρας χαρακτηρίστηκαν ως εξής (Jiao et al., 2018; Luo et al., 2018; Bagousse-Pingueta et al., 2019; Ding et al., 2020a): αμμωνιακό άζωτο (mg kg −_N , NH ) προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας υπεριώδη φασματοφωτομετρία, νιτρικό άζωτο (mg kg -1 , NO3_N) χρησιμοποιήθηκε με τη χρωματομετρική μέθοδο που βασίζεται στην εκχύλιση χλωριούχου καλίου, ανόργανου αζώτου (mg kg -1, ΙΝ) ήταν το άθροισμα αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου, πέντε ενζύμων που κυκλοφόρησαν Ν [Ν-ακετυλογλυκοζαμινιδάση (NAG). Αμινοπεπτιδάση λευκίνης (LAP), Νιτρογενάση, Συνθετάση μονοξειδίου του αζώτου (NOS), συνθετάση γλουταμίνης (GS); μmol d −1 g −1 ξηρό έδαφος] ανιχνεύθηκαν χρησιμοποιώντας κιτ ELISA. Το μικροβιακό άζωτο βιομάζας (mg kg -1 , MBN) προσδιορίστηκε με τη μέθοδο υποκαπνισμού-εκχύλισης. Οι συναρτήσεις κύκλου P ριζόσφαιρας χαρακτηρίστηκαν ως εξής (Bowker et al., 2013; Bastida et al., 2016; Jiao et al., 2018; Luo et al., 2018; Bagousse-Pingueta et al., 2019; Dinget ., 2020a): ο συνολικός φώσφορος (mg kg -1 , TP) προσδιορίστηκε με πέψη NaOH, διαθέσιμος φώσφορος (mg kg -1, AP) προσδιορίστηκε μέσω του φασματόμετρου NaHC03-υπεριώδους και η όξινη φωσφατάση (ένζυμο P-κυκλοφορίας, μmol d -1 g -1 ξηρό έδαφος, ACP) ανιχνεύθηκε χρησιμοποιώντας κιτ δοκιμής ELISA. Αυτές οι ιδιότητες χρησιμοποιήθηκαν επειδή είτε μετρούν πραγματικές συναρτήσεις είτε είναι καλές υποκατάστατες των C, N και P-cycling (Bowker et al., 2013; Delgado-Baquerizo et al., 2017; Bagousse-Pingueta et al., 2019; Chen et al., 2020a,b).
Εξαγωγή DNA και ενίσχυση PCR
Το γονιδιωματικό DNA εξήχθη χρησιμοποιώντας κιτ HiPure Soil DNA (Guangzhou Meiji Biotechnology Co., Ltd., Κίνα) ακολουθώντας τις οδηγίες του κατασκευαστή. Η ποιότητα του εξαγόμενου DNA ελέγχθηκε με ηλεκτροφόρηση σε πήκτωμα αγαρόζης 1,2% (wt/vol) και φασματοφωτόμετρο NanoDrop 2000 (Thermo Fisher Scientific, Ηνωμένες Πολιτείες). Η περιοχή V3-V4 του βακτηριακού γονιδίου 16S rRNA και οι εσωτερικές μεταγραφόμενες περιοχές διαχωρισμού (ITS) του γονιδίου rRNA του μύκητα ενισχύθηκαν με εκκινητές 341F και 806R και ITS3_KYO2 και ITS4, αντίστοιχα (λεπτομερείς συνθήκες PCR περιγράφονται στη Συμπληρωματική περιγραφή της μεθόδου). .
Αλληλουχία αμπλικονίων και επεξεργασία δεδομένων
Τα αμπλικόνια εκχυλίστηκαν από γέλες αγαρόζης 2% (Gong et al., 2021) και καθαρίστηκαν χρησιμοποιώντας το κιτ εξαγωγής γέλης DNA AxyPrep (Axygen Biosciences, Union City, CA, Ηνωμένες Πολιτείες) σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή και ποσοτικοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας ABI StepOnePlus σε πραγματικό χρόνο Σύστημα PCR (Life Technologies, Foster, CA, Ηνωμένες Πολιτείες). Καθαρισμένα αμπλικόνια συγκεντρώθηκαν σε ισομοριακή αλληλουχία και αλληλουχία ζευγαρώματος (PE250) σε πλατφόρμα Illumina από την Guangzhou Genedenovo Biotechnology Co., Ltd. (Guangzhou, Κίνα). Τα ανεπεξέργαστα δεδομένα κατατέθηκαν στο NCBI (Αριθμός πρόσβασης: PRJNA731978 για 16S, PRJNA731989 για ITS).
Τα ακατέργαστα δεδομένα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία ως εξής: εν συντομία, αναγνώσεις που περιείχαν περισσότερο από 10% άγνωστων νουκλεοτιδίων και περιείχαν λιγότερο από 50% βάσεων με ποιότητα (τιμή Q) gt; 20 αφαιρέθηκαν χρησιμοποιώντας FASTP (V 0.18.0 1 ) . Οι καθαρές αναγνώσεις ζευγαρωμένου άκρου συγχωνεύτηκαν ως ακατέργαστες ετικέτες χρησιμοποιώντας FLSAH (V 1.2.11 2 ) με ελάχιστη επικάλυψη 10 bp και ποσοστά σφάλματος αναντιστοιχίας 2%. Η μοναδική αλληλουχία ετικέτας επιλέχθηκε χρησιμοποιώντας Mothur (v1.39.1 3 ). Οι χίμαιρες αφαιρέθηκαν χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο UCHIME στο USEARCH 4. Στη συνέχεια, οι αλληλουχίες εκχωρήθηκαν σε λειτουργική ταξινομική μονάδα (OTUs) σε όριο ομοιότητας 97% (Ding et al., 2020a; Ding and Wang, 2021; Jin et al., 2022b) χρησιμοποιώντας UPARSE (USEARCH v9.2.64, βλ. ). Οι αντιπροσωπευτικές αλληλουχίες OTU ταξινομήθηκαν σε οργανισμούς με ένα απλό Μπεϋζιανό μοντέλο χρησιμοποιώντας ταξινομητή RDP (έκδοση 2.2) με βάση τη βάση δεδομένων SILVA (έκδοση 132 5 ) για βακτήρια ή τη βάση δεδομένων UNITE (έκδοση 8.0 6 ) για μύκητες. Η ανάλυση βιοπληροφορικής έγινε χρησιμοποιώντας μια διαδικτυακή πλατφόρμα 7 από την Guangzhou Genedenovo Biotechnology Co., Ltd. (Guangzhou, Κίνα).
Ορισμός άφθονων και σπάνιων μικροβιακών ταξινομήσεων
Τα τοπικά άφθονα και σπάνια OTU ορίστηκαν χρησιμοποιώντας κατώφλια αφθονίας 0,1 και 0,01% σε ένα δείγμα (Lynch and Neufeld, 2015) και τα τοπικά άφθονα και σπάνια OTU ορίστηκαν με όρια αφθονίας 0,01 και 0,001% σε όλα τα δείγματα. , 2018). Οι επόμενες αναλύσεις έγιναν σε πέντε επίπεδα: ολόκληρα, τοπικά άφθονα, τοπικά σπάνια, περιφερειακά άφθονα και περιφερειακά σπάνια OTU. Οι δείκτες πλούτου, ποικιλότητας Simpson και ποικιλότητας Shannon εφαρμόστηκαν για να περιγράψουν την ταξινομική ποικιλότητα.
Προβλεπόμενες λειτουργίες βακτηρίων και μυκήτων
Το Tax4Fun και το FAPROTAX 1.2.3 χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη των λειτουργικών προφίλ των βακτηρίων (Aßhauer et al., 2015; Louca et al., 2016). Το FUNGuild (Guilds_v1.1) χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη λειτουργικών προφίλ μυκήτων (Nguyen et al., 2016). Το πακέτο “Vegan” εφαρμόστηκε για τον υπολογισμό του πλούτου, της ποικιλομορφίας Shannon και της ποικιλομορφίας των βακτηριακών και μυκητιακών λειτουργιών στο επίπεδο που χρησιμοποιείται συνήθως (π.χ. επίπεδο Tax4Fun KEGG 2 και επίπεδο FUNGuild Guild) στο R v3.5.3 8 .
Πολυλειτουργικότητα και ένταση ανταλλαγής
Η πολυλειτουργικότητα είναι ένας κρίσιμος διαχειριστικός και οικολογικός δείκτης (Delgado-Baquerizo et al., 2020) και ορίζεται ως η σύνθεση διαφορετικών ιδιοτήτων οικοσυστήματος σε μικρή κλίμακα (Bagousse-Pingueta et al., 2019; Ding and Wang, 2021). Η πολυλειτουργικότητα C/N/P κύκλου ριζόσφαιρας (CCMF, NCMF και PCMF) υπολογίστηκε με βάση τις συναρτήσεις κύκλου C/N/P ριζόσφαιρας (Garibotti et al., 2018) στην ενότητα “Ατομικές συναρτήσεις ριζόσφαιρας” και πολυλειτουργικότητα ριζόσφαιρας υπολογίστηκε με βάση όλες τις συναρτήσεις ριζόσφαιρας (Bagousse-Pingueta et al., 2019) που αναφέρονται στην Ενότητα «Ατομικές συναρτήσεις ριζόσφαιρας». Ο μετασχηματισμός της βαθμολογίας Z πραγματοποιήθηκε για την τυποποίηση των δεδομένων της μικροβιακής κοινότητας και των λειτουργιών του οικοσυστήματος (Bastida et al., 2016; Bagousse-Pingueta et al., 2019) χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση “standardizeZScore” (Byrnes et al., 2014) στο R πριν από τον υπολογισμό της πολυλειτουργικότητας (Chen et al., 2020a). Η μέση προσέγγιση (ο μέσος όρος όλων των τυποποιημένων συναρτήσεων) είναι διαισθητική και εύκολα ερμηνεύσιμη και χρησιμοποιείται ευρέως στις μελέτες πολυλειτουργικότητας (Delgado-Baquerizo et al., 2016, 2017), επομένως, υπολογίστηκε ο μέσος δείκτης πολυλειτουργικότητας βάσει προσεγγίσεων για κάθε δείγμα (Shi et al., 2021). Η ένταση αντιστάθμισης ορίστηκε ως η γεωμετρική απόσταση από ένα σημείο σε μια ευθεία γραμμή 1:1 για να ποσοτικοποιηθεί η ένταση ανταλλαγής μεταξύ δύο ιδιοτήτων του οικοσυστήματος (Zhong et al., 2020). Υπολογίστηκε ο μέσος δείκτης πολυλειτουργικότητας βάσει προσεγγίσεων για κάθε δείγμα (Shi et al., 2021). Η ένταση αντιστάθμισης ορίστηκε ως η γεωμετρική απόσταση από ένα σημείο σε μια ευθεία γραμμή 1:1 για να ποσοτικοποιηθεί η ένταση ανταλλαγής μεταξύ δύο ιδιοτήτων του οικοσυστήματος (Zhong et al., 2020). Υπολογίστηκε ο μέσος δείκτης πολυλειτουργικότητας βάσει προσεγγίσεων για κάθε δείγμα (Shi et al., 2021). Η ένταση αντιστάθμισης ορίστηκε ως η γεωμετρική απόσταση από ένα σημείο σε μια ευθεία γραμμή 1:1 για να ποσοτικοποιηθεί η ένταση ανταλλαγής μεταξύ δύο ιδιοτήτων του οικοσυστήματος (Zhong et al., 2020).
Ανάλυση δεδομένων
Η στατιστική ανάλυση ακολούθησε τη ροή εργασίας και τις μεθόδους σε προηγούμενες μελέτες (Ding et al., 2020a; Ding and Wang, 2021) και στη Συμπληρωματική Περιγραφή της Μεθόδου. Το τεστ κανονικότητας Shapiro-Wilk και το τεστ Levene χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο της κανονικότητας και της ομοσκεδαστικότητας των δεδομένων, αντίστοιχα (Gao et al., 2021). Όταν τα δεδομένα μπορούσαν να πληρούν τα κριτήρια κανονικότητας και ομοσκεδαστικότητας ταυτόχρονα, χρησιμοποιήθηκαν ANOVA και t-test για να ελεγχθεί η σημασία της διαφοράς μεταξύ των ομάδων. Όταν τα δεδομένα δεν μπορούσαν να συναντηθούν, χρησιμοποιήθηκε η δοκιμή αθροίσματος κατάταξης Kruskal–Wallis και η δοκιμή Wilcoxon. Το ηp 2Η στατιστική (μερική eta-τετράγωνο) διεξήχθη για να ελεγχθούν οι σχετικές επιρροές της ταυτότητας των φυτών (S. davidii και Z. mays), του τύπου συστήματος (σόλα και ενδοκαλλιέργεια) και της αλληλεπίδρασης σε κάθε μεμονωμένη λειτουργία ριζόσφαιρας στο IBM SPSS (έκδοση 25, IBM, Armonk, NY, Ηνωμένες Πολιτείες). Η ανάλυση κύριου συστατικού (PCA) (Merino-Martín et al., 2021) χρησιμοποιήθηκε για να προσδιοριστεί ποιες λειτουργίες είναι οι κύριες λειτουργίες του οικοσυστήματος στη ριζόσφαιρα. Το τεστ ANOSIM (Analysis of Similarities) με 9.999 μεταθέσεις χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό σημαντικών διαφορών στις λειτουργίες του οικοσυστήματος της ριζόσφαιρας μεταξύ των φυτικών ειδών (S. davidii και Z. mays), του τύπου συστήματος (σόλα και διακαλλιέργεια) και μεταξύ των ομάδων (MZ, IZ, MS , και IS) και σε είδη/λειτουργίες μεταξύ ομάδων για κάθε υποκοινότητα. Οι σχέσεις συσχέτισης μεταξύ των επιμέρους λειτουργιών του οικοσυστήματος της ριζόσφαιρας οπτικοποιήθηκαν με βάση το Spearman χρησιμοποιώντας το πακέτο «igraph» (Csardi και Nepusz, 2006). Για να διατηρηθεί ο αριθμός των ακμών, των κορυφών και των θετικών ακμών των δικτύων μικροβιακής συσχέτισης, δημιουργήθηκαν ισχυρές συσχετίσεις με βάση την απόλυτη τιμή του r gt; 0,8 της συσχέτισης Pearson και διορθώθηκε με το ποσοστό ψευδούς ανακάλυψης p lt; 0,001 χρησιμοποιώντας ”WGCNA” και ”igraph”. ‘ πακέτα σε R. Gephi 0.9.29 εφαρμόστηκαν για την οπτικοποίηση των δικτύων.
Η μη μετρική πολυδιάστατη κλιμάκωση (NMDS) (Jiao et al., 2017; Khashi u Rahman et al., 2021) εφαρμόστηκε για την απλοποίηση δειγμάτων ή OUT σε χώρο υψηλών διαστάσεων έως χαμηλής διάστασης για τοποθεσία χρησιμοποιώντας τη λειτουργία “metaMDS” στην απόσταση Bray–Curtis (He et al., 2021). Το μέγεθος του αποτελέσματος της ανάλυσης γραμμικής διάκρισης (LDA) (LEfSe) εκτελέστηκε για να προσδιοριστούν τα σημαντικά εμπλουτισμένα clades (βαθμολογίες LDA ≥ 2 και p lt; 0,05).
Σύμφωνα με τον ορισμό του φαινομένου επιλογής (Mensah et al., 2020), χρησιμοποιήσαμε συσχετισμούς κατάταξης Spearman (Zheng et al., 2019) για να επιλέξουμε τα είδη, τις λειτουργίες και την ποικιλομορφία ολόκληρης της κοινότητας και άφθονες και σπάνιες υποκοινότητες που σχετίζονταν σημαντικά με την πολυλειτουργικότητα C/N/P-κυκλοφορίας (CCMF, NCMF και PCMF), τη μέση πολυλειτουργικότητα του οικοσυστήματος (AEMF) και την καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα πάνω από το έδαφος (ANPP), αντίστοιχα. Χρησιμοποιήσαμε τη δοκιμή αθροίσματος κατάταξης Kruskal–Wallis για να επιλέξουμε τα είδη, τις λειτουργίες και την ποικιλότητα του συνόλου, των άφθονων και σπάνιων υποκοινοτήτων που άλλαξαν σημαντικά μεταξύ των ομάδων. Στη συνέχεια υπολογίσαμε τη διασταύρωση ειδών/λειτουργιών/ποικιλιών που άλλαξαν σημαντικά και σχετίζονταν σημαντικά με τις παραπάνω λειτουργίες του οικοσυστήματος. Για να αποκρυπτογραφήσει πώς τα μικρόβια συνδέουν την πολυλειτουργικότητα (Delgado-Baquerizo et al., 2017), Η δοκιμή Mantel (Ding et al., 2020a) με 9.999 μεταθέσεις πραγματοποιήθηκε για την ανίχνευση της συσχέτισης μεταξύ της τομής και των παραπάνω λειτουργιών του οικοσυστήματος, με βάση τη μέθοδο Spearman και τον Ευκλείδειο πίνακα απόστασης. Όσο μεγαλύτερη είναι η συσχέτιση της δοκιμής Mantel, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανή ένταση επιπτώσεων των ειδών/λειτουργιών/ποικιλιών στις παραπάνω λειτουργίες οικοσυστήματος (Jiao et al., 2017; Mo et al., 2018; Zheng et al., 2019; Zhou et al. al., 2019b· Xiong et al., 2020· Xue et al., 2020· Ding and Wang, 2021). Τα πακέτα «ggplot2» (Wickham, 2016) και «circlize» (Gu, 2014) χρησιμοποιήθηκαν για την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων. Όσο μεγαλύτερη είναι η συσχέτιση της δοκιμής Mantel, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανή ένταση επιπτώσεων των ειδών/λειτουργιών/ποικιλιών στις παραπάνω λειτουργίες οικοσυστήματος (Jiao et al., 2017; Mo et al., 2018; Zheng et al., 2019; Zhou et al. al., 2019b· Xiong et al., 2020· Xue et al., 2020· Ding and Wang, 2021). Τα πακέτα «ggplot2» (Wickham, 2016) και «circlize» (Gu, 2014) χρησιμοποιήθηκαν για την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων. Όσο μεγαλύτερη είναι η συσχέτιση της δοκιμής Mantel, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανή ένταση επιπτώσεων των ειδών/λειτουργιών/ποικιλιών στις παραπάνω λειτουργίες οικοσυστήματος (Jiao et al., 2017; Mo et al., 2018; Zheng et al., 2019; Zhou et al. al., 2019b· Xiong et al., 2020· Xue et al., 2020· Ding and Wang, 2021). Τα πακέτα «ggplot2» (Wickham, 2016) και «circlize» (Gu, 2014) χρησιμοποιήθηκαν για την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων.
Αποτελέσματα
Διακαλλιέργεια αλλαγμένων επιμέρους λειτουργιών, πολυλειτουργικότητα, υπεργεια καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα και συμβιβασμούς
Σε σύγκριση με το S. davidii, ανεξάρτητα από τον τύπο του συστήματος, παρατηρήθηκε αξιοσημείωτα υψηλότερο OC ριζόσφαιρας του Z. mays (71% υψηλότερο στη μονοκαλλιέργεια, t-test p lt; 0,05, 40% υψηλότερο κατά την ενδοκαλλιέργεια, t-test p lt; 0,05, Σχήμα 1Α). Σε σύγκριση με τη μονοκαλλιέργεια, το αμινοκαλλιεργημένο Z. mays δεν άλλαξε σημαντικά το OC, το διακαλλιεργημένο S. davidii αύξησε σημαντικά το OC κατά 33% (t-test p lt;0,05). Ανεξάρτητα από τον τύπο του συστήματος, δεν παρατηρήθηκε στατιστική διαφορά στο MBC μεταξύ του Z. mays και του S. davidii (t-test p gt; 0,05), (Εικόνα 1Β). Σε σύγκριση με το κάτω από τη γλώσσα S. davidii, το MBC υπό ενδοκαλλιέργεια έχει αυξητική τάση (κατά 14%, t-test p gt; 0,05), αλλά το MBC υπό παρεμβολή Z. mays μειώθηκε σημαντικά κατά 17% (t-test p lt; 0,05). Σε σύγκριση με τη μονοκαλλιέργεια, το Z. mays δεν άλλαξε σημαντικά τη δραστηριότητα βG στη ριζόσφαιρα (t-test p gt; 0,05, Σχήμα 1C), αλλά το S. davidii αύξησε τη δραστηριότητα βG κατά 20% (t-test p lt; 0,05), επομένως, παρά τη στατιστική διαφορά δεν βρέθηκε στη δραστηριότητα βG μεταξύ του μοναδικού Z. mays και του S. davidii (t-test p gt; 0,05), η δραστικότητα βG υπό παρεμβολές S. davidii ήταν υψηλότερη κατά 23% από ό,τι υπό παρεμβολές Z. mays (t-test p lt;0,05). Το WC ήταν υψηλότερο κάτω από το πέλμα S. davidii απ’ ό,τι στο πέλμα Z. mays κατά 22% (t-test p lt; 0,05, Εικόνα 1D). Σε σύγκριση με τη μονοκαλλιέργεια, το ενδοκαλλιεργημένο Z. mays μείωσε το WC κατά 14% (t-test p lt; 0,05), το intercovered S. davidii αύξησε το WC κατά 9% (t-test p lt; 0,05), με αποτέλεσμα ασήμαντη διαφορά στο WC μεταξύ του S. davidii και Z. mays (t-test p gt; 0,05). Το NH4_N ήταν υψηλότερο στη σόλα Z. mays από ότι στη γλώσσα S. davidii κατά 189% (δοκιμή Wilcoxon p lt; 0,05, Εικόνα 1Ε), το NO3_N ήταν υψηλότερο στη γλώσσα S. davidii από ό,τι κάτω από τη γλώσσα Z. mays κατά 53% (t-test p lt; 0,05, Σχήμα 1F), δεν ανιχνεύθηκε στατιστική διαφορά μεταξύ δύο φυτών και μεταξύ γλώσσας και ενδοκαλλιέργειας (t-test p gt; 0,05). Η MBN ήταν χαμηλότερη στη γλώσσα S. davidii σε σχέση με τη γλώσσα Z. mays κατά 49% (t-test p lt;0,05, Εικόνα 1G), αλλά οι NAG, Nitrogenase, NOS και GS στη γλώσσα S. davidii ήταν υψηλότερες από ό,τι στη γλώσσα Z. mays κατά 36, 26, 34 και 33%, αντίστοιχα (t-test p lt; 0,05, Σχήματα 1H,I,K,L), η δραστηριότητα LAP κάτω από το πέλμα S. davidii ήταν υψηλότερη από ό,τι στη γλώσσα Z. mays κατά 12% (t-test p gt; 0,05, Σχήμα 1J). Σε σύγκριση με τη μονοκαλλιέργεια, το Z. mays μείωσε το MBN κατά 47% (t-test p gt; 0,05), αλλά αύξησε τα NAG, LAP και NOS κατά 40, 18 και 23% αντίστοιχα (t-test p lt;0,05). Το intercropped S. davidii αύξησε το MBN κατά 65% (t-test p gt; 0,05). MBN, Nitrogenase, NOS, και το GS υπό παρεμβολές S. davidii ήταν υψηλότερα από ό,τι με το Z. mays κατά 59, 21, 16 και 30%, αντίστοιχα (t-test p lt; 0,05). Η ΤΡ και η ΑΡ κάτω από το πέλμα Z. mays ήταν υψηλότερα από ό,τι στη γλώσσα S. davidii κατά 50 και 163%, αντίστοιχα (t-test p lt; 0,05, Σχήματα 1Μ,Ν). Το intercropped Z. mays δεν άλλαξε σημαντικά τα TP, AP και ACP, σε σύγκριση με το S. davidii (t-test p lt; 0,05), και δεν βρέθηκε στατιστική διαφορά στο TP μεταξύ του S. davidii και του Z. mays (t-test p gt; 0,05). Το AP υπό παρεμβολές Sophora davidii ήταν χαμηλότερο από ό,τι υπό παρεμβολές Z. mays (t-test p lt; 0,05), το ACP υπό παρεμβολές S. davidii ήταν υψηλότερο από ό, τι υπό παρεμβολές Z. mays (t-test p lt;0,05).
Εικόνα 1. Διακαλλιέργεια αλλαγμένων πολλαπλών λειτουργιών ριζόσφαιρας. “ns,” p gt; 0,05; “*,” p lt; 0,05; “**,” p lt; 0,01; “***,” p lt; 0,001; MZ, μονοκαλλιέργεια Zea mays; IZ, intercropping Zea mays; MS, μονοκαλλιέργεια Sophora davidii; IZ, intercropping Sophora davidii. (Α) Η ενδοκαλλιέργεια αλλοίωσε τον οργανικό άνθρακα (OC), (Β) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε την περιεκτικότητα σε άνθρακα σε μικροβιακή βιομάζα (MBC), (C) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε τη δραστηριότητα της β-γλυκοσιδάσης (βG), (D) η διακαλλιέργεια άλλαξε την περιεκτικότητα σε νερό (WC ), (Ε) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε την περιεκτικότητα σε αμμωνιακό άζωτο (NH4_N), (F) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε την περιεκτικότητα σε νιτρικό άζωτο (NO3_N), (G)η ενδοκαλλιέργεια αλλοίωσε την περιεκτικότητα σε μικροβιακή βιομάζα σε άζωτο (MBN), (Η) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε τη δραστηριότητα της Ν-κετυλογλυκοζαμινιδάσης (NAG), (Ι) η ενδοκαλλιέργεια αλλοίωσε τη δραστηριότητα της νιτρογενάσης, (J) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε τη δραστηριότητα αμινοπεπτιδάσης λευκίνης (LAP), (Κ) άλλαξε τη δραστηριότητα συνθετάσης μονοξειδίου του αζώτου (NOS), (L) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε τη δραστηριότητα συνθετάσης γλουταμίνης (GS), η (M) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε τη συνολική περιεκτικότητα σε φώσφορο (TP), η (Ν) η ενδοκαλλιέργεια άλλαξε τη διαθέσιμη περιεκτικότητα σε φώσφορο (AP) και (Ο) η ενδοκαλλιέργεια αλλοίωσε τη δράση της όξινης φωσφατάσης (ACP).
Το ηp 2Η στατιστική έδειξε ότι τα φυτικά είδη ήταν ο κύριος παράγοντας που επηρέασε τα OC, βG, NH4_N, NO3_N, Nitrogenase, NOS, GS, TP, AP, ACP, WC και ANPP, και ο τύπος του συστήματος ήταν ο κύριος παράγοντας που επηρέασε το LAP, το Η αλληλεπίδραση μεταξύ φυτικών ειδών και τύπου συστήματος ήταν ο κύριος παράγοντας που επηρέασε τα MBC, MBN και NAG (Συμπληρωματικός Πίνακας 1). Η PCA έδειξε ότι τα σημεία δειγματοληψίας ήταν καλά διαχωρισμένα μεταξύ των φυτικών ειδών (ANOSIM r = 0,41, p = 0,046) και μεταξύ των ομάδων (ANOSIM r = 0,38, p lt; 0,001), αλλά τα σημεία δειγματοληψίας δεν διαχωρίστηκαν μεταξύ του τύπου συστήματος (ANOSIM r = 0,01, p = 0,352), υποδεικνύοντας ότι τα είδη φυτών ήταν ο κύριος παράγοντας που επηρέασε τις λειτουργίες της ριζόσφαιρας (Εικόνα 2Α). Οι κύριοι συνεισφέροντες σε αυτούς τους διαχωρισμούς ήταν οι WC, MBN, AP και MBC. Το πέλμα και το συνεκμεταλλευμένο Z. mays είχαν υψηλότερα WC, TP, AP και OC, το πέλμα και το παρεμβαλλόμενο S. Το davidii είχε υψηλότερα NO3_N, Nitrogenase, NOS και GS. Η ανάλυση δικτύου συσχέτισης έδειξε ότι η αλληλοκαλλιέργεια αύξησε την πολυπλοκότητα των λειτουργικών σχέσεων και τη συχνότητα της λειτουργικής συνέργειας, ενώ μείωσε τη συχνότητα της λειτουργικής ανταλλαγής σε σύγκριση με τη μονοκαλλιέργεια (Εικόνες 2Β–Ε). Η ανάλυση αντιστάθμισης έδειξε ότι η ένταση της αντιστάθμισης συναρτήσεων οικοσυστήματος ήταν εξαιρετικά μεταβλητή όταν συμπεριλήφθηκε χαμηλός αριθμός ζευγαρωμένων συναρτήσεων, αλλά τείνει να είναι σταθερή καθώς ο αριθμός των συμπεριλαμβανόμενων ζευγαρωμένων συναρτήσεων αυξήθηκε, υποδεικνύοντας ότι είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη επαρκής αριθμός των ζευγών συναρτήσεων κατά την αξιολόγηση της ισχύος των αντισταθμίσεων συναρτήσεων (Σχήματα 3A–D). Το τεστ Wilcoxon έδειξε ότι το συνεκμεταλλευμένο Z. mays μείωσε σημαντικά την ένταση αντιστάθμισης σε σύγκριση με το μόνο Z. mays, η ένταση αντιστάθμισης υπό παρεμβολή S. Το davidii ήταν σημαντικά υψηλότερο από ό,τι με το Z. mays (Εικόνες 3Ε–Η). Η ανάλυση πολυλειτουργικότητας έδειξε ότι η ενδοκαλλιέργεια αύξησε σημαντικά το CCMF και το PCMF και το AEMF (p = 0,032, 0,0079 και 0,0079) της ριζόσφαιρας S. davidii. Ωστόσο, δεν άλλαξε το NCMF και το ANPP του S. davidii (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,056 – 0,22, Εικόνα 4). Επιπλέον, η ενδοκαλλιέργεια μείωσε σημαντικά το ANPP του Z. mays (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,008), αλλά δεν άλλαξε τα CCMF, NCMF και PCMF και AEMF της ριζόσφαιρας Z. mays (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,15 – 0,84, Εικόνα ). davidii (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,056 – 0,22, Εικόνα 4). Επιπλέον, η ενδοκαλλιέργεια μείωσε σημαντικά το ANPP του Z. mays (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,008), αλλά δεν άλλαξε τα CCMF, NCMF και PCMF και AEMF της ριζόσφαιρας Z. mays (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,15 – 0,84, Εικόνα ). davidii (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,056 – 0,22, Εικόνα 4). Επιπλέον, η ενδοκαλλιέργεια μείωσε σημαντικά το ANPP του Z. mays (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,008), αλλά δεν άλλαξε τα CCMF, NCMF και PCMF και AEMF της ριζόσφαιρας Z. mays (δοκιμή Wilcoxon, p = 0,15 – 0,84, Εικόνα ).
Σχήμα 2. (Α) Ανάλυση κύριας συνιστώσας πολλαπλών συναρτήσεων ριζόσφαιρας και στις διαφορετικές ομάδες, που δείχνει τη συνολική διαισθητική κατανομή πολλαπλών λειτουργιών και την υπέργεια καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα, και τη συμβολή κάθε συνάρτησης σε αυτήν την κατανομή. (B–E) Σχέσεις μεταξύ των επιμέρους συναρτήσεων ριζόσφαιρας και της καθαρής πρωτογενούς παραγωγικότητας (ANPP). MZ, μονοκαλλιέργεια Zea mays; IZ, intercropping Zea mays; MS, μονοκαλλιέργεια Sophora davidii; IZ, intercropping Sophora davidii.
Εικόνα 3. (A–D) Πλαίσια γραφήματα που υποδεικνύουν ότι η ένταση αντιστάθμισης των συναρτήσεων άλλαξε με τον αριθμό των ζευγαρωμένων συναρτήσεων. (E–H) Διαφορά της έντασης αντιστάθμισης μεταξύ των ομάδων στον αριθμό των ζευγαρωμένων συναρτήσεων (δοκιμή Wilcoxon σε α = 0,05). MZ, μονοκαλλιέργεια Zea mays; IZ, intercropping Zea mays; MS, μονοκαλλιέργεια Sophora davidii; IZ, intercropping Sophora davidii.
Σχήμα 4. Διακαλλιέργεια αλλαγμένης πολυλειτουργικότητας ριζόσφαιρας C, N, P (CCMF, NCMF και PCMF), μέση πολυλειτουργικότητα οικοσυστήματος ριζόσφαιρας (AEMF) και υπέργεια καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα (ANPP). “ns,” p gt; 0,05; “*,” p lt; 0,05; “**,” p lt; 0,01; MZ, μονοκαλλιέργεια Zea mays; IZ, intercropping Zea mays; MS, μονοκαλλιέργεια Sophora davidii; IZ, intercropping Sophora davidii.
Η ενδοκαλλιέργεια μετατόπισε την ποικιλία των μικροβίων της ριζόσφαιρας
Η μέση Καλή κάλυψη για όλα τα δείγματα ήταν gt;98,7%, υποδηλώνοντας ότι η δειγματοληψία ήταν επαρκής (Jin et al., 2022a). Η διακαλλιέργεια έκανε ολόκληρο βακτηριακό πλούτο, πλήρη βακτηριακή ποικιλότητα Shannon, τοπικά άφθονη βακτηριακή ποικιλότητα Simpson, περιφερειακά σπάνια βακτηριακή ποικιλότητα, περιφερειακά σπάνια βακτηριακή ποικιλότητα Shannon, περιφερειακά άφθονη μυκητιακή ποικιλότητα προφανώς διακριτή μεταξύ δύο φυτών (ANOVA p lt; 0,05), δεν έκανε διαφορές για τοπικά σπάνιο μυκητιακό πλούτο και ολόκληρο μυκητιακό πλούτο (ANOVA p gt; 0,05) σε σύγκριση με τη μονοκαλλιέργεια. Η ενδοκαλλιέργεια αύξησε ολόκληρο τον βακτηριακό πλούτο και την ποικιλότητα Shannon της ριζόσφαιρας Z. mays, αλλά μείωσε ολόκληρη την ποικιλότητα του βακτηρίου Shannon, την ποικιλία Shannon και Simpson του πλήρους μύκητα, τον τοπικά άφθονο μυκητιακό πλούτο και την ποικιλότητα Simpson, και περιφερειακά άφθονη μυκητιακή ποικιλία Shannon και Simpson της ριζόσφαιρας Z. mays. Η ενδοκαλλιέργεια μείωσε ολόκληρη την ποικιλότητα Shannon των μυκήτων, τον τοπικά άφθονο μυκητιακό πλούτο, και τον τοπικά άφθονο μυκητιακό πλούτο και την ποικιλότητα Shannon της ριζόσφαιρας S. davidii (ANOVA p lt; 0,05, Συμπληρωματικός Πίνακας 2). Η ενδοκαλλιέργεια δεν έκανε διαφορές μεταξύ δύο φυτών για τοπικά άφθονο λειτουργικό πλούτο μυκήτων FUNGuild και τοπικά σπάνια μυκητιακή λειτουργική ποικιλότητα Simpson FUNGuild (ANOVA p gt; 0,05). Η ενδοκαλλιέργεια αύξησε την περιφερειακά σπάνια μυκητιασική λειτουργική ποικιλία Shannon και Simpson του Z. mays rhizosphere. ωστόσο, η ενδοκαλλιέργεια μείωσε τη λειτουργική ποικιλομορφία Shannon από το σύνολο των μυκήτων FUNGuild και τη λειτουργική ποικιλότητα Shannon και Simpson των βακτηριακών Tax4Fun της ριζόσφαιρας Z. mays, αυξημένη περιφερειακά σπάνια μυκητίαση FUNGuild λειτουργική ποικιλία Simpson της ριζόσφαιρας S. davidii. Η ενδοκαλλιέργεια μείωσε επίσης τη λειτουργική ποικιλότητα Simpson του πλήρους βακτηριακού FAPROTAX (ANOVA p lt; 0,05, Συμπληρωματικός Πίνακας 2).
Η ενδοκαλλιέργεια μετατόπισε την ταξινομική και λειτουργική σύνθεση των μικροβίων της ριζόσφαιρας
Η δοκιμή NMDS και ANOSIM έδειξε ότι τα βακτηριακά είδη, τα είδη μυκήτων και οι μυκητιακές λειτουργίες διέφεραν σημαντικά μεταξύ των ομάδων σε κάθε υποκοινότητα (p lt; 0,01, Εικόνα 5) και οι βακτηριακές λειτουργίες διέφεραν σημαντικά μεταξύ των ομάδων σε κάθε υποκοινότητα (p lt; 0,05), εκτός από την τοπικά άφθονη υποκοινότητα ειδών. Η ανάλυση LEfSe έδειξε ότι, στη ριζόσφαιρα Z. mays, τέσσερα βακτηριακά κλάδια και 36 φυλλότυποι μυκήτων εμπλουτίστηκαν προφανώς με μονοκαλλιέργεια (ρ lt; 0,05, Συμπληρωματικά Σχήματα 3Α, Β) και 18 βακτηριδιακοί φυλλότυποι και ένας μυκητιακός φυλλότυπος ήταν προφανώς ελλιπής. Στη ριζόσφαιρα S. davidii, 10 φυλλότυποι βακτηρίων και εννέα μυκητιασικοί φυλλότυποι εμπλουτίστηκαν προφανώς με μονοκαλλιέργεια και πέντε βακτηριδιακοί φυλλότυποι και τέσσερις μυκητολογικοί φυλλότυποι εμπλουτίστηκαν προφανώς με ενδοκαλλιέργεια (p lt; 0,05, Συμπληρωματικά Σχήματα 3Γ,Δ). Σε όλες τις ομάδες, ένας βακτηριακός φυλλότυπος και δύο μυκητιασικοί φυλλότυποι εμπλουτίστηκαν προφανώς στη ριζόσφαιρα S. davidii υπό μονοκαλλιέργεια, έξι βακτηριδιακοί φυλλότυποι και ένας μυκητιακός φυλλότυπος εμπλουτίστηκαν προφανώς στη ριζόσφαιρα S. davidii με διακαλλιέργεια, δύο φυλλότυποι βακτηριδίων και οι βακτηριακές φυλλότυποι evotypely3 εμπλουτισμένο στη ριζόσφαιρα Z. mays υπό μονοκαλλιέργεια, και ένας βακτηριακός φυλλότυπος και κανένας μυκητιακός φυλλότυπος εμπλουτίστηκαν προφανώς στη ριζόσφαιρα του Z. mays υπό ενδοκαλλιέργεια (ρ lt; 0,05). Εξετάσαμε επίσης τυχόν σημαντικές αλλαγές στα είδη ή τη λειτουργία μεταξύ των ομάδων χρησιμοποιώντας τη δοκιμή αθροίσματος κατάταξης Kruskal–Wallis. Εντοπίστηκαν συνολικά 1.383 βακτηριακά είδη, 34 βακτηριακές λειτουργίες, 314 είδη μυκήτων και 16 μυκητιακές λειτουργίες με σημαντικές αλλαγές (p lt; 0,05), 0–50.
Εικόνα 5. Μη μετρικές πολυδιάστατες κλιμακώσεις (NMDS) βασισμένες σε πίνακες απόστασης Bray–Curtis της ταξινόμησης (A,B) και συναρτήσεων (C,D) βακτηριακών (A,C) και μυκητιακών (B,D) υποκοινοτήτων για όλες δείγματα (n = 20). Μια τάση lt;0,1 έδειξε ότι το αποτέλεσμα του NMDS είναι αξιόπιστο. ANPP, υπέργεια καθαρή πρωτογενής παραγωγικότητα. MZ, μονοκαλλιέργεια Zea mays; IZ, intercropping Zea mays; MS, μονοκαλλιέργεια Sophora davidii; IZ, intercropping Sophora davidii. Τα R και p αναφέρθηκαν από την ANOSIM.
Τα δίκτυα της σπάνιας υποκοινότητας και ολόκληρης της κοινότητας έχουν μεγαλύτερη πολυπλοκότητα από αυτή της άφθονης (Συμπληρωματικά Σχήματα 4, 5). Για το Z. mays, η ενδοκαλλιέργεια αύξησε τον αριθμό των άκρων, κορυφών και θετικών άκρων ολόκληρων, τοπικά σπάνιων, τοπικά σπάνιων δικτύων βακτηριδίων, αλλά μείωσε εκείνα των τοπικά άφθονων δικτύων βακτηριδίων και για το S. davidii, η διακαλλιέργεια μείωσε εκείνα ολόκληρων, τοπικά άφθονα, τοπικά σπάνια, περιφερειακά σπάνια δίκτυα βακτηρίων. Αυτό έδειξε ότι η επίδραση της ενδοκαλλιέργειας στο δίκτυο της βακτηριακής υποκοινότητας ρυθμιζόταν από φυτικά είδη. Ωστόσο, παρατηρήθηκε σταθερή μείωση στις άκρες, στις κορυφές και στις θετικές ακμές μέσω της ενδοκαλλιέργειας στις περισσότερες υποκοινότητες μυκήτων, ανεξάρτητα από το είδος του φυτού (Πίνακας 1).
Πίνακας 1. Ιδιότητες δικτύου μικροβιακών συσχετίσεων υποκοινοτήτων σε διαφορετικές ομάδες.
Τα σπάνια είδη της ριζόσφαιρας σχετίζονταν με τις λειτουργίες του εδάφους της ριζόσφαιρας και την καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα πάνω από το έδαφος και άλλαξαν τους συμβιβασμούς
Η ανάλυση συσχέτισης Spearman έδειξε ότι διαφορετικά είδη, συναρτήσεις ή δείκτες ποικιλότητας σχετίζονται σημαντικά με τα CCMF, NCMF και PCMF, AEMF και ANPP (p lt; 0,05), αντίστοιχα. Η δοκιμή Mantel και η ιεραρχική ανάλυση συστάδων έδειξαν τρεις ομάδες παραγόντων που μπορούν να επηρεάσουν τις λειτουργίες του συστήματος (Εικόνα 6). Ένα υψηλότερο r δείχνει μια ισχυρότερη σχέση. Σημαντικές αλλαγές στα είδη τοπικά σπάνιων βακτηρίων (Mantel r = 0,8185, p = 0,0001) είχαν ισχυρότερη σχέση με το ANPP από άλλα (Mantel r = 0,2107 – 0,8024, p = 0,0001–0,0228, Εικόνα 6). Σημαντικές αλλαγές στα είδη του τοπικά σπάνιου μύκητα (Mantel r = 0,5069, p = 0,0001) είχαν ισχυρότερη σχέση με το PCMF από άλλα (Mantel r = −0,0127 – 0,4767, p = 0,0001 – 1). Σημαντικές αλλαγές στα είδη τοπικά σπάνιων βακτηρίων (Mantel r = 0,5340, p = 0. 0001) είχε ισχυρότερη σχέση με το NCMF από ό,τι άλλοι (Mantel r = 0 – 0,5118, p = 0,0001 – 1). Σημαντικές αλλαγές στα είδη του τοπικά σπάνιου μύκητα (Mantel r = 0,3295, p = 0,009) είχαν ισχυρότερη σχέση με το CCMF από άλλα (Mantel r = −0,0800 – 0,2890, p = 0,0092 – 1). Σημαντικές αλλαγές στα είδη τοπικά σπάνιου μύκητα (Mantel r = 0,3984, p = 0,0017) είχαν ισχυρότερη σχέση με το AEMF από άλλα (Mantel r = 0,0079 – 0,2604, p = 0,0151 – 1). Σημαντικές αλλαγές στα είδη των τοπικά σπάνιων βακτηρίων (Mantel r = 0,6026, p = 0,0001) είχαν μια ισχυρότερη σχέση με την ένταση των αντισταθμίσεων (Mantel r = 0,1983 – 0,5962, p = 0,0001 – 1). Οι σημαντικές αλλαγές στα είδη και τις λειτουργίες της ριζόσφαιρας είχαν ισχυρότερη σχέση με το CCMF (Mantel r = 0,2776 έναντι 0, δοκιμή αθροίσματος κατάταξης Kruskal–Wallis p = 0,0277), NCMF (Mantel r = 0,3478 έναντι 0.
Σχήμα 6. Χάρτης θερμότητας που δείχνει την ένταση των επιλεγμένων ειδών (ή λειτουργιών) ή τους δείκτες ποικιλότητας που επηρεάζουν τις λειτουργίες της ριζόσφαιρας και την υπέργεια καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα (ANPP). Η ένταση υποδεικνύεται με r της δοκιμής Mantel. Τα επιλεγμένα είδη (ή συναρτήσεις) ήταν η τομή ειδών ή συναρτήσεων που διέφεραν σημαντικά μεταξύ των ομάδων (MZ, IZ, MS και IS) και συσχετίστηκαν σημαντικά με τη λειτουργία του συστήματος (C/N/P-κυκλική πολυλειτουργικότητα, AEMF, και ANPP, αντίστοιχα). Εμφανίστηκε μόνο η σημαντική ένταση. Η ιεραρχική ανάλυση συστάδων έδειξε τις συστάδες παραγόντων. CCMF, πολυλειτουργικότητα με κύκλους άνθρακα. NCMF, πολυλειτουργικότητα με κύκλους αζώτου. PCMF, πολυλειτουργικότητα με κύκλους φωσφόρου. AEMF, μέση πολυλειτουργικότητα οικοσυστήματος.
Συζήτηση
Το αποτέλεσμα επιλογής ήταν ισχυρότερο από το συμπληρωματικό αποτέλεσμα σε πολλαπλές λειτουργίες
Σε συμφωνία με ευρήματα από τη μακροοικολογία (Karolína et al., 2014; Baldrighi et al., 2017; Fanin et al., 2017; Bagousse-Pingueta et al., 2019) και χύδην εδάφη (Bastida et al., 2016; Delgado- Baquerizo et al., 2016· Mori et al., 2016), οι ποικιλίες των μικροβίων στη ριζόσφαιρα έπαιξαν ουσιαστικό ρόλο στην καθοδήγηση πολλαπλών λειτουργιών (Συμπληρωματικός Πίνακας 3). Αυτό έδειξε ότι η διατήρηση της λειτουργικότητας χρειάζεται προστασία και χρήση της μικροβιακής ποικιλότητας της ριζόσφαιρας. Επιπλέον, οι θετικές επιδράσεις κυριάρχησαν στο CCMF, αλλά οι αρνητικές επιδράσεις κυριάρχησαν στο AEMF. Εντοπίστηκαν οι θετικές και αρνητικές επιπτώσεις στο NCMF και το ANPP. Οι αρνητικές επιπτώσεις (αρνητική συσχέτιση, 15/17) ήταν συχνότερες από τις θετικές επιδράσεις (θετική συσχέτιση, 2/17) στην οδήγηση του NCMF (Συμπληρωματικός Πίνακας 3), υποδεικνύοντας ότι οι αρνητικές επιδράσεις κυριάρχησαν στο NCMF. Ωστόσο,
Εδώ, δείξαμε για πρώτη φορά ότι (Σχήμα 5) οι σημαντικές αλλαγές στα είδη και τις λειτουργίες της ριζόσφαιρας είχαν ισχυρότερη σχέση με τα CCMF, NCMF, PCMF, AEMF, ANPP και αντισταθμίσεις από τους δείκτες σημαντικής ποικιλότητας, υποδεικνύοντας ότι η επιλογή Το εφέ έπαιξε κύριο ρόλο στην οδήγηση πολλαπλών λειτουργιών. Αυτό το εύρημα ήταν διαφορετικό από τα ευρήματα των μελετών στη μακροοικολογία (Tonin et al., 2018; Woodcock et al., 2019; Chun et al., 2020) και χύδην εδάφη (Wen et al., 2020), που έδειξαν ότι το Το φαινόμενο της συμπληρωματικότητας έπαιξε κύριο ρόλο στην καθοδήγηση πολλαπλών λειτουργιών, ενώ το αποτέλεσμα επιλογής είχε περιορισμένο ρόλο (Emily et al., 2018; Li et al., 2020a). Αυτή η ασυνέπεια έδειξε ότι το αποτέλεσμα επιλογής στη ριζόσφαιρα δεν μπορούσε να αγνοηθεί και μπορεί να είναι ένας νέος τρόπος ρύθμισης της παραγωγικότητας. Το αποτέλεσμά μας θα μπορούσε να εξηγηθεί από τις ακόλουθες πιθανές αιτίες: (1) Η κοινότητα της ριζόσφαιρας βρισκόταν υπό ισχυρή επιλεκτική πίεση για ειδικά μικρόβια (Poole et al., 2018) με βάση κρίσιμες λειτουργίες που σχετίζονται με το μεταβολισμό του N και του P, οι οποίες σχετίζονται με προαγωγή της ανάπτυξης και διατροφή των φυτών (Mendes et al., 2014), επομένως, η παραγωγικότητα των φυτών βασιζόταν στο μικροβίωμα για την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών (Chen et al., 2020b). (2) Τα μικρόβια της ριζόσφαιρας μεσολάβησαν στην εξίδρωση της ρίζας (Korenblum et al., 2020), άλλαξαν την παροχή θρεπτικών συστατικών και την απορρόφηση των φυτών και του NCMF της ριζόσφαιρας. Με τη σειρά του, το NCMF της ριζόσφαιρας διαμόρφωσε αρνητικά την παραγωγικότητα των φυτών (Spearman r = -0,70, p lt;0,001, Συμπληρωματικό Σχήμα 2). Συλλογικά, η ισχυρή επιλεκτικότητα των φυτών στους μικροοργανισμούς της ριζόσφαιρας (Philippot et al., 2013) προσδιόρισε ποιοι μικροοργανισμοί ή λειτουργίες εμφανίζονται. Ως εκ τούτου, οι πολλαπλές λειτουργίες της ριζόσφαιρας και του ANPP εξαρτώνται περισσότερο από το αποτέλεσμα επιλογής παρά από το συμπληρωματικό αποτέλεσμα, υποδεικνύοντας ότι οι διαδικασίες συναρμολόγησης της κοινότητας θα μπορούσαν να καθορίσουν την ποικιλομορφία και τη σύνθεση της κοινότητας, και ήταν το αποτέλεσμα αυτών των διαδικασιών που καθόρισε τον τρόπο επιλογής και συμπληρωματικής εμφανίζονται επιδράσεις (Leibold et al., 2017). Ως εκ τούτου, η μελέτη μας έδωσε νέα εικόνα για τη ριζόσφαιρα που διαφέρει από τα χύδην εδάφη. και ήταν το αποτέλεσμα αυτών των διαδικασιών που καθόρισε τον τρόπο με τον οποίο προκύπτουν η επιλογή και τα συμπληρωματικά αποτελέσματα (Leibold et al., 2017). Ως εκ τούτου, η μελέτη μας έδωσε νέα εικόνα για τη ριζόσφαιρα που διαφέρει από τα χύδην εδάφη. και ήταν το αποτέλεσμα αυτών των διαδικασιών που καθόρισε τον τρόπο με τον οποίο προκύπτουν η επιλογή και τα συμπληρωματικά αποτελέσματα (Leibold et al., 2017). Ως εκ τούτου, η μελέτη μας έδωσε νέα εικόνα για τη ριζόσφαιρα που διαφέρει από τα χύδην εδάφη.
Τα σπάνια taxa της ριζόσφαιρας μπορεί να συμβάλλουν αναλογικά σε πολλαπλές λειτουργίες
Σε συμφωνία με τα προηγούμενα ευρήματά μας από χύμα εδάφη (Ding και Wang, 2021), διακριτά μικρόβια (βακτήρια ή μύκητες) κυριαρχούσαν στις δεδομένες λειτουργίες. Σε αυτή τη μελέτη, οι μύκητες πιθανότατα κυριαρχούσαν στο CCMF και στο PCMF, τα βακτήρια πιθανότατα κυριαρχούσαν στο NCMF και το ANPP (Εικόνα 6). Αυτό μπορεί να οφείλεται στο ότι τα βακτήρια και οι μύκητες είχαν διαφορετικές μεταβολικές θέσεις (Ding and Wang, 2021). Για παράδειγμα, οι μύκητες και όχι τα περισσότερα βακτήρια θα μπορούσαν να εκκρίνουν ένζυμα αποικοδόμησης της λιγνίνης (Ding et al., 2020a), να ενισχύσουν τη ριζοαπόθεση και να καταστέλλουν την αποικοδόμηση της οργανικής ύλης (Zhou et al., 2020a). Οι μύκητες κυριαρχούσαν στην πρόσληψη P στα συμβιωτικά φυτά (Wang et al., 2020a; Jiang et al., 2021). Η απονιτροποίηση, η ανοργανοποίηση και η αφομοίωση του Ν προκλήθηκαν κυρίως από βακτήρια (Starke et al., 2016; Li et al., 2019; Ding and Wang, 2021). Το Ν είναι το κύριο θρεπτικό συστατικό που περιορίζει την ανάπτυξη των φυτών (Moreau et al., 2019; Wang et al., 2020a), επομένως, εάν τα βακτήρια κυριαρχούσαν στο NCMF, τα βακτήρια αναμενόταν να κυριαρχήσουν στο ANPP (Εικόνα 6). Επιπλέον, αυτή ήταν η πρώτη μελέτη που ανέφερε ότι τα τοπικά σπάνια βακτήρια και μύκητες παραβλέφθηκαν βασικά taxa που διαμορφώνουν τις λειτουργίες του οικοσυστήματος και τους συμβιβασμούς. Αυτά τα ευρήματα υποστήριξαν καθιερωμένα αποτελέσματα (Radchuk et al., 2016; Jousset et al., 2017; Dee et al., 2019; Zhang et al., 2019; Chen et al., 2020a).
Τα σπάνια taxa θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως βασικά είδη μέσω πολλών μηχανισμών. Ομαδοποιήσαμε τους πιθανούς μηχανισμούς που ευθύνονται για τη μεγαλύτερη συμβολή των σπάνιων ειδών στις λειτουργίες του οικοσυστήματος σε τρεις οδούς που μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα: (1) Τα σπάνια είδη καταλαμβάνουν την πλειοψηφία των ειδών στα οικοσυστήματα (Jain et al., 2014; Lynch and Neufeld, 2015 Jousset et al., 2017; Zhang et al., 2019; Guo et al., 2020) και είχε εξαιρετικά υψηλή ποικιλομορφία (Mo et al., 2018). Τα σπάνια είδη είχαν ισχυρότερο αντίκτυπο στην πολύπλευρη ποικιλομορφία της κοινότητας από τα άφθονα ταξινομικά (Zhou et al., 2019a). Σε αυτή τη μελέτη, ο πλούτος ειδών των τοπικά σπάνιων βακτηρίων ήταν 433 έως 677 φορές μεγαλύτερος από εκείνον των τοπικά άφθονων βακτηρίων, ο πλούτος ειδών των τοπικά σπάνιων βακτηρίων ήταν έξι-επταπλάσιος από εκείνον των τοπικά άφθονων βακτηρίων. ο πλούτος ειδών του τοπικά σπάνιου μύκητα ήταν 20- έως 52-πλάσιος από αυτόν του τοπικά άφθονου μύκητα, ο πλούτος ειδών των τοπικά σπάνιων βακτηρίων ήταν 1,2- έως 1,8-πλάσιος του πλούτου των τοπικά άφθονων μυκήτων (Συμπληρωματικός Πίνακας 2). Από τη μία πλευρά, τα σπάνια είδη παρείχαν ασφαλιστικά αποτελέσματα (Jousset et al., 2017; Chen et al., 2020a) όπως υπονοείται από την ασφαλιστική υπόθεση (Jiao et al., 2017) και παρείχε στρατολόγηση από την επίμονη τράπεζα σπάνιων μικροβιακών σπόρων μια ευρεία δεξαμενή οικολογικής λειτουργίας (Lynch and Neufeld, 2015). Από την άλλη πλευρά, οι περισσότεροι διαφορετικοί συνδυασμοί χαρακτηριστικών υποστηρίχθηκαν κυρίως από σπάνια είδη (David et al., 2013). Παρόμοιες παρατηρήσεις εντοπίστηκαν στη μελέτη μας. Τόσο τοπικά όσο και περιφερειακά, ο πλούτος λειτουργιών των σπάνιων βακτηρίων και μυκήτων καταλάμβανε το 57-100% του πλούτου των ολόκληρων βακτηρίων και μυκήτων (Συμπληρωματικός Πίνακας 2). Σύμφωνα με την υπόθεση των υποθέσεων συμπληρωματικών και επιλογής (Mensah et al., 2020), η υψηλή ποικιλομορφία αύξησε την πιθανότητα σπάνιων ταξινομικών κατηγοριών να συμβάλλουν στη λειτουργικότητα του οικοσυστήματος. Υπό αυτή την έννοια, τα σπάνια είδη είχαν τη δυνατότητα να αλλάξουν την πολυλειτουργικότητα ενός οικοσυστήματος μέσω της ενίσχυσης της βιοποικιλότητας (Angelini et al., 2015· Jousset et al., 2017). (2) Πολλές μελέτες είχαν υποστηρίξει ότι «το να είσαι διαφορετικός» ήταν ζωτικής σημασίας για την επιρροή των σπάνιων ταξινομικών κατηγοριών/. Στις φυτικές κοινότητες, τα σπάνια είδη είχαν υψηλότερη επίδραση στη λειτουργία του οικοσυστήματος, επειδή η μάζα των μεμονωμένων σπάνιων ταξινομικών κατηγοριών είναι υψηλότερη από αυτή των άφθονων ταξινομικών κατηγοριών (Radchuk et al., 2016). Παρόμοια αποτελέσματα είχαν παρατηρηθεί σε συστήματα αποσύνθεσης (Guo et al., 2020) και μικροβιακό σύστημα (Wei et al., 2019). Ουσιαστικά, Τα μικρόβια άλλαξαν τις λειτουργίες του συστήματος μέσω των μεταβολικών τους λειτουργιών (Ding και Wang, 2021). Σε αυτή τη μελέτη, υπήρχαν προφανείς διαφορές στις λειτουργίες (Εικόνες 5Γ, Δ) και στη λειτουργική ποικιλομορφία (Συμπληρωματικός Πίνακας 2) των σπάνιων ειδών έναντι των άφθονων ειδών, υποδηλώνοντας ότι τα σπάνια είδη είχαν τη δυνατότητα να παίξουν σημαντικούς ρόλους στη λειτουργία του οικοσυστήματος μέσω της παροχής διαφορετικών λειτουργιών. (3) Επηρεάζοντας τις αλληλεπιδράσεις. Η επίδραση ορισμένων κατηγοριών στις λειτουργίες του οικοσυστήματος δεν ήταν ανεξάρτητη από τις αλληλεπιδράσεις τους με άλλα είδη (Wagg et al., 2019). Η εξαφάνιση των σπάνιων προκάλεσε μια εμφανή ή κακή αλλαγή στη σύνθεση ή τη λειτουργία της κοινότητας (Nannipieri et al., 2020). Αντίθετα, η εμφάνιση σπάνιων θα μπορούσε να έχει καλή επίδραση στην κοινότητα (Xue et al., 2020). Θα μπορούσαν να δημιουργήσουν συνθήκες που υποστήριζαν τη συνύπαρξη υψηλών πυκνοτήτων διαφορετικών λειτουργικών οργανισμών, ενισχύοντας έτσι την MF (Angelini et al., 2015). Τα σπάνια μικρόβια θα μπορούσαν επίσης να αυξήσουν τον ρόλο των άφθονων μικροβίων (Jousset et al., 2017). Σπάνιες ανομοιογενείς ενώσεις χαμηλής περιεκτικότητας σε υλικά που χρειάζονται άλλα μικρόβια ή σε συνθετικές αποτελεσματικές βιοδραστικές ενώσεις (Harrison et al., 2021). Το σπάνιο θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει την κοινότητα της ριζόσφαιρας, προάγοντας έτσι την ανάπτυξη των καλλιεργειών (Li et al., 2020b). Τα σπάνια είδη θα μπορούσαν να επηρεάσουν τις αλληλεπιδράσεις των ειδών (Xue et al., 2020). Σε αυτή τη μελέτη, το σπάνιο συνέβαλε περισσότερο στη θετική αλληλεπίδραση του μικροβίου παρά σε αφθονία (Πίνακας 1 και Συμπληρωματικά Σχήματα 4, 5). Οι υψηλότερες συχνές διευκολύνσεις από τους διαγωνισμούς πιθανώς απέδωσαν τα αποτελέσματα της συμπληρωματικότητας (Ding and Wang, 2021). Επομένως, σπάνια συνέβαλε στις λειτουργίες του οικοσυστήματος μέσω των αλληλεπιδράσεων των ειδών (Jousset et al., 2017; Dee et al., 2019). Δεδομένου ότι τα σπάνια είδη είναι πιο ευάλωτα στην απώλεια (Dee et al., 2019) και είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητα, αποδώσαμε μεγάλη σημασία στα σπάνια είδη και προτείναμε τη βελτιστοποίηση των ταξινομικών κατηγοριών τους για τη διατήρηση μιας υψηλής λειτουργικότητας του οικοσυστήματος.
Τα σπάνια taxa της ριζόσφαιρας μπορεί να συμβάλλουν σε αντισταθμίσεις πολλαπλών λειτουργιών
Η μονοκαλλιέργεια είχε υψηλότερο ANPP από τη διακαλλιέργεια, αυτό υπονοούσε ότι η μονοκαλλιέργεια απέφερε υψηλότερα οφέλη από τη διακαλλιέργεια, κάτι που ήταν συνεπές με τα πρόσφατα ευρήματα στις τροπικές περιοχές (Grass et al., 2020). Ωστόσο, η ενδοκαλλιέργεια μετατόπισε επίσης τη σχέση ANPP-CCMF από μηδενική σε θετική για το Z. mays (Εικόνες 2B, C), μετατόπισε τη σχέση ANPP-NCMF από αρνητική σε θετική για S. davidii (Εικόνες 2D, E). Η ενδοκαλλιέργεια μείωσε την ένταση των αντισταθμίσεων σε σύγκριση με τη γλώσσα για το Z. mays (Εικόνα 3Ε). Το MF και οι αποδόσεις δεν ήταν πάντα συνεργιστικά (Συμπληρωματικό Σχήμα 2), επιβεβαιώνοντας τα πρόσφατα ευρήματα (Garland et al., 2021). Η μελέτη μας πρότεινε επίσης, για πρώτη φορά, ότι τα τοπικά σπάνια είδη βακτηρίων σχετίζονταν πιο έντονα με τις αντισταθμίσεις πολλαπλών λειτουργιών,
συμπέρασμα
Αυτή η μελέτη διερεύνησε τα άφθονα και σπάνια βακτήρια και μύκητες της ριζόσφαιρας, την πολυλειτουργικότητα της ριζόσφαιρας C/N/P-cycling, την πολυλειτουργικότητα του οικοσυστήματος, την υπέργεια καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα και τους συμβιβασμούς στη σόλα Z. mays και S. davidii και Z. mays/S. davidii διακαλλιέργειας οικοσυστημάτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ενδοκαλλιέργεια αλλοίωσε πολλαπλές λειτουργίες οικοσυστημάτων μεμονωμένα και ταυτόχρονα. Το διακαλλιεργημένο Z. mays μείωσε σημαντικά την ένταση αντιστάθμισης σε σύγκριση με το μόνο Z. mays, η ένταση αντιστάθμισης υπό παρεμβολές S. davidii ήταν σημαντικά υψηλότερη από ό,τι με το μεσοκαλλιεργημένο Z. mays. Επιπλέον, τόσο η ριζόσφαιρα σε αφθονία όσο και η σπάνια θα μπορούσαν να προβλέψουν και να επηρεάσουν τα στοιχεία της ριζόσφαιρας που κυκλώνουν, την πολυλειτουργικότητα, την υπέργεια παραγωγικότητα και τους συμβιβασμούς, ενώ Οι σημαντικές αλλαγές στα είδη των τοπικά σπάνιων μικροβίων ήταν ο καλύτερος προγνωστικός δείκτης της περιστροφής των στοιχείων της ριζόσφαιρας, της πολυλειτουργικότητας, της υπέργειας παραγωγικότητας και των ανταλλαγών. Αποδίδουμε λοιπόν μεγάλη σημασία στο σπάνιο είδος. Πράγματι, τα αποτελέσματά μας μπορεί να βοηθήσουν στην επίτευξη υψηλής λειτουργικότητας κατευθύνοντας μελλοντικές προσπάθειες για τη συλλογή, τη διατήρηση και τον χειρισμό των σπάνιων ειδών της ριζόσφαιρας. Περαιτέρω έρευνα με περισσότερα οικοσυστήματα και λειτουργία συνδυασμών σπάνιων μικροβίων θα διευκολύνει τη διατήρηση μιας υψηλότερης λειτουργίας του οικοσυστήματος και την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών αιτίου-αποτελέσματος. διατήρηση και χειραγώγηση σπάνιων ειδών της ριζόσφαιρας. Περαιτέρω έρευνα με περισσότερα οικοσυστήματα και λειτουργία συνδυασμών σπάνιων μικροβίων θα διευκολύνει τη διατήρηση μιας υψηλότερης λειτουργίας του οικοσυστήματος και την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών αιτίου-αποτελέσματος. διατήρηση και χειραγώγηση σπάνιων ειδών της ριζόσφαιρας. Περαιτέρω έρευνα με περισσότερα οικοσυστήματα και λειτουργία συνδυασμών σπάνιων μικροβίων θα διευκολύνει τη διατήρηση μιας υψηλότερης λειτουργίας του οικοσυστήματος και την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών αιτίου-αποτελέσματος.
Δήλωση διαθεσιμότητας δεδομένων
Τα σύνολα δεδομένων που παρουσιάζονται σε αυτή τη μελέτη μπορούν να βρεθούν σε διαδικτυακά αποθετήρια. Τα ονόματα του αποθετηρίου/των αποθετηρίων και οι αριθμοί πρόσβασης βρίσκονται στο άρθρο/Συμπληρωματικό υλικό.
Συνεισφορές συγγραφέα
PW και LD: εννοιολόγηση. PW: μεθοδολογία και συγγραφή — προετοιμασία πρωτότυπου σχεδίου. LD: επιμέλεια και οπτικοποίηση δεδομένων. CZ, LD, YZ, PW και MW: έρευνα και γραφή—ανασκόπηση και επεξεργασία. Όλοι οι συγγραφείς συνέβαλαν στο άρθρο και ενέκριναν την υποβληθείσα έκδοση.
Χρηματοδότηση
Αυτή η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών της Κίνας (31960341), το Ίδρυμα Επιστήμης και Τεχνολογίας της Επαρχίας Guizhou της Κίνας (Qiankehejichu-ZK[2021]yiban157), το Qiannongkeyuanguojihoubuzhu Project [Qiannongkeyuanguojihoubuzhu (2021) Εθνικό Σύστημα Τεχνολογίας (2021) Grant TechnologySyryRS03], -34).
Σύγκρουση συμφερόντων
Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι η έρευνα διεξήχθη απουσία εμπορικών ή οικονομικών σχέσεων που θα μπορούσαν να ερμηνευθούν ως πιθανή σύγκρουση συμφερόντων.
Σημείωση εκδότη
Όλοι οι ισχυρισμοί που εκφράζονται σε αυτό το άρθρο είναι αποκλειστικά εκείνοι των συγγραφέων και δεν αντιπροσωπεύουν απαραιτήτως αυτούς των συνδεδεμένων οργανισμών τους ή του εκδότη, των εκδοτών και των κριτικών. Οποιοδήποτε προϊόν μπορεί να αξιολογηθεί σε αυτό το άρθρο ή ισχυρισμός που μπορεί να προβληθεί από τον κατασκευαστή του, δεν είναι εγγυημένο ή εγκεκριμένο από τον εκδότη.
Συμπληρωματικό υλικό
Το συμπληρωματικό υλικό για αυτό το άρθρο βρίσκεται στο διαδίκτυο στη διεύθυνση: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.985574/full#supplementary-material
Άφθονο, σπάνιο, ποικιλομορφία, ανταλλαγή, πολυλειτουργικότητα, ριζόσφαιρα