文章目錄

• 農(nóng)田土壤豐富真菌比稀有真菌適應(yīng)更廣泛的環(huán)境梯度
• • 摘要
  • 引言
  • 結(jié)果
  • • 豐富和稀有真菌群落的分布模式
    • 豐富和稀有群落的環(huán)境響應(yīng)
    • 豐富和稀有真菌的群落構(gòu)建
  • 總結(jié)
  • 原文主圖實(shí)戰(zhàn)
  • • 載入包和必要參數(shù)設(shè)置
    • 進(jìn)化樹 + 熱圖
    • 稀有物種按照以上重來一次
    • 和弦圖 繪制
    • 關(guān)于circle圖形標(biāo)簽重疊問題的解決
  • 第一作者簡(jiǎn)介
  • Reference
  • 拓展閱讀
  • 猜你喜歡
  • 寫在后面

農(nóng)田土壤豐富真菌比稀有真菌適應(yīng)更廣泛的環(huán)境梯度

Abundant fungi adapt to broader environmental gradients than rare fungi in agricultural fields

Article, 2020-04-23

Global Change Biology, [IF 8.88]

https://doi.org/10.1111/gcb.15130

第一作者：Shuo Jiao(焦碩)

通訊作者：Yahai Lu(陸雅海)

摘要

土壤群落決定著生態(tài)系統(tǒng)功能。理解群落構(gòu)建及其適應(yīng)環(huán)境變化的機(jī)制對(duì)于揭示土壤群落與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系具有重要意義。在人為管理強(qiáng)烈的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，豐富和稀有真菌的群落構(gòu)建過程及環(huán)境適應(yīng)機(jī)制仍有待研究。作者基于中國東部大尺度農(nóng)田土壤，探究了豐富和稀有真菌對(duì)生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性的響應(yīng)閾值和系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)，并且探討了影響其群落構(gòu)建的因素。與稀有群落相比，豐富群落對(duì)環(huán)境梯度的生態(tài)偏好表現(xiàn)出更寬的響應(yīng)閾值和更強(qiáng)的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)。零模型分析表明，豐富群落主要受擴(kuò)散限制的影響，而稀有群落主要受同質(zhì)選擇影響。土壤有效硫是介導(dǎo)豐富和稀有群落的隨機(jī)和確定性過程平衡的主要因素，隨機(jī)過程隨有效硫濃度的升高而增加。這項(xiàng)研究增強(qiáng)了我們對(duì)響應(yīng)全球環(huán)境變化下真菌多樣性產(chǎn)生和維持的基本機(jī)制的理解。

引言

揭示維持和產(chǎn)生物種多樣性的基本機(jī)制對(duì)于確定群落穩(wěn)定性與生態(tài)系統(tǒng)功能之間的聯(lián)系至關(guān)重要，豐富和稀有微生物通常表現(xiàn)出不同的分布模式和功能特征。真菌在驅(qū)動(dòng)土壤養(yǎng)分循環(huán)、介導(dǎo)植物營(yíng)養(yǎng)吸收及減輕其他生物的養(yǎng)分限制方面起著重要的生態(tài)作用。農(nóng)田是典型的人類管理的陸地生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)全球糧食安全做出了至關(guān)重要的貢獻(xiàn)。微生物生態(tài)學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是量化確定性過程和隨機(jī)過程對(duì)微生物群落構(gòu)建的相對(duì)貢獻(xiàn)。隨機(jī)性和確定性構(gòu)建過程之間的平衡可以由環(huán)境因素來調(diào)節(jié)，例如，土壤有機(jī)質(zhì)的變化可能會(huì)改變不同構(gòu)建過程對(duì)土壤細(xì)菌群落形成的相對(duì)影響；土壤pH值由中性向極端條件的轉(zhuǎn)變（酸性或堿性）的將導(dǎo)致土壤細(xì)菌群落構(gòu)建過程由隨機(jī)性轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定性。然而，對(duì)于調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤中豐富和稀有真菌群落構(gòu)建過程的環(huán)境因素仍有待研究。環(huán)境過濾是決定物種分布和豐度的關(guān)鍵因素。微生物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)具有系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)，例如，細(xì)菌對(duì)土壤氮添加和變暖的響應(yīng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的系統(tǒng)發(fā)育保守性。但農(nóng)田土壤真菌群落對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)閾值及系統(tǒng)發(fā)育保守性尚不清楚，這對(duì)于理解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物群落對(duì)全球環(huán)境變化的響應(yīng)模式和適應(yīng)性機(jī)制至關(guān)重要。該研究旨在（I）評(píng)估復(fù)雜環(huán)境梯度下豐富和稀有真菌的潛在環(huán)境閾值和系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)；（II）揭示影響稀有和豐富真菌群落構(gòu)建的主要因素。作者使用中國東部玉米（水不飽和）和水稻（水飽和）土壤真菌的高通量測(cè)序數(shù)據(jù)集和23個(gè)環(huán)境變量解決了上述問題。

結(jié)果

豐富和稀有真菌群落的分布模式

General distribution patterns of abundant and rare taxa

圖1. 農(nóng)田土壤中豐富和稀有真菌群落的物種分類和環(huán)境相關(guān)性

玉米土壤中的豐富真菌群落比水稻土壤中的OTU相對(duì)豐度更高，而稀有群落則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。稀有和豐富真菌群落都存在很大的系統(tǒng)發(fā)育多樣性（圖1a和1c），豐富類群比稀有類群具有更強(qiáng)的環(huán)境關(guān)聯(lián)性（圖1a），且豐富類群的SES.MNTD的平均值比稀有類群顯著更高，均小于零（圖1b），表明稀有類群比豐富類群具有更緊密聚集的系統(tǒng)發(fā)育分布。

豐富和稀有群落的環(huán)境響應(yīng)

Environmental responses of abundant and rare sub-communities

圖2. 農(nóng)業(yè)土壤中豐富和稀有的真菌的環(huán)境適應(yīng)性

基于指示種分析（threshold indicator taxa analysis，TITAN）分析，發(fā)現(xiàn)豐富群落都比稀有群落具有更寬的環(huán)境閾值范圍（圖2a）。作者研究了系統(tǒng)發(fā)育與環(huán)境偏好之間關(guān)系的強(qiáng)度，以確定生態(tài)偏好特征是否具有系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)。Blomberg的K統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和Fritz和Purvis的D檢驗(yàn)均顯示，豐富類群比稀有類群表現(xiàn)出更強(qiáng)的系統(tǒng)發(fā)生信號(hào)（圖2b和2c），這表明豐富類群中，親緣關(guān)系越近的物種有更為相似的生態(tài)偏好性。

豐富和稀有真菌的群落構(gòu)建

Assembly processes in rare and abundant sub-communities

圖3. 確定和隨機(jī)構(gòu)建過程對(duì)農(nóng)田中豐富和稀有真菌群落形成的相對(duì)影響

零模型分析顯示豐富和稀有群落的βNTI與土壤可利用硫（AS）呈最強(qiáng)烈的顯著相關(guān)性（圖3a）。隨著AS的增加，在豐富群落中隨機(jī)構(gòu)建的相對(duì)影響增加，而在稀有群落中先減小后增加（圖3b）。此外隨機(jī)性過程在（68.6％）在豐富真菌群落構(gòu)建中占主導(dǎo)地位，而稀有群落主要受確定性構(gòu)建（86.7％）影響。 同質(zhì)選擇對(duì)稀有群落構(gòu)建貢獻(xiàn)較大（86.3％），對(duì)豐富群落的貢獻(xiàn)較小（29.4％）。 擴(kuò)散限制對(duì)豐富群落構(gòu)建（45.9％）的影響大于稀有群落（3.1％）。

總結(jié)

本研究的主要結(jié)論如下：

（1）農(nóng)田土壤豐富和稀有群落對(duì)環(huán)境梯度有不同的響應(yīng)閾值和生態(tài)偏好的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)，豐富群落具有更廣泛的環(huán)境適應(yīng)性；

（2）隨機(jī)過程在驅(qū)動(dòng)豐富真菌群落構(gòu)建中起主導(dǎo)作用，而確定性過程決定著稀有群落構(gòu)建；

（3）土壤AS是介導(dǎo)豐富和稀有群落構(gòu)建過程的主要因素，在較高AS環(huán)境中，隨機(jī)過程的相對(duì)影響增加。

基于宏觀生態(tài)尺度的分析，本研究探索了農(nóng)田土壤豐富和稀有真菌的環(huán)境適應(yīng)性，并揭示了介導(dǎo)其群落構(gòu)建過程的關(guān)鍵因素，加強(qiáng)了對(duì)農(nóng)田土壤真菌多樣性產(chǎn)生和維持的理解，并有助于預(yù)測(cè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤真菌對(duì)全球變化的響應(yīng)。

原文主圖實(shí)戰(zhàn)

載入包和必要參數(shù)設(shè)置

library(ggtree) library(ggplot2) library(RColorBrewer)#-指定九種顏色 col<-brewer.pal(9, "Set1")

進(jìn)化樹 + 熱圖

#--微生物組三個(gè)文件讀取：注釋文件，進(jìn)化樹，和otu豐度文件 tax<-read.csv("hong_otuname_abd.csv",row.names=1) aa<-read.tree("hong_tre_abd.tre") #--這里經(jīng)過了處理，將OTU存在信息通過分組合并 ，并將存在與否使用1或者-1表示 heat1<-read.csv("hong_heat1_abd.csv",row.names=1)heat<-ifelse(heat1>0,"Pos","Neg") heat[heat1==0]<-"NA"#--按照樣本聚類 h<-hclust(dist(t(heat1))) # 聚類順序重排矩陣 heat<-heat[,h$order]#為進(jìn)化樹匹配物種分類信息 dd<-data.frame(id=aa$tip.label,tax[aa$tip.label,]) # 對(duì)于屬水平未注釋的結(jié)果我們用OTU名稱替代 dd$aa<-ifelse(dd$genus=="",rownames(dd),as.vector(dd$genus)) #-設(shè)置進(jìn)化樹可視化分組選項(xiàng)，按照門水平填充顏色 groupInfo1 <- split(aa$tip.label, as.vector(tax[aa$tip.label,2])) aa<- groupOTU(aa, groupInfo1)p<-ggtree(aa,aes(color=group),branch.length='none') p

#--許多人不知道如何配置dd文件，訣竅就是將數(shù)據(jù)框第一列設(shè)置為進(jìn)化樹葉節(jié)點(diǎn)名稱，并以id命名。 p<-p%<+%dd+geom_tippoint(size=3)+geom_tiplab(aes(label=aa),size=2,color="black") gheatmap(p,heat,offset=6, width=3, font.size=3, colnames_angle=90,colnames = T)+ scale_fill_manual(values=c("white","#fdbb2d","#1E9600"))+ scale_color_manual(values=c(col[c(3:5,8)]))

稀有物種按照以上重來一次

#####Rare##### #--按照以上操作將稀有物種樹重新來一遍 tax<-read.csv("hong_otuname_ra.csv",row.names=1) aa<-read.tree("hong_tre_ra.tre") heat1<-read.csv("hong_heat1_ra.csv",row.names=1) heat<-ifelse(heat1>0,"Pos","Neg") heat[heat1==0]<-"NA" heat<-heat[,h$order] dd<-data.frame(id=aa$tip.label,tax[aa$tip.label,]) dd$aa<-ifelse(dd$genus=="",rownames(dd),as.vector(dd$genus)) groupInfo1 <- split(aa$tip.label, as.vector(tax[aa$tip.label,2])) aa<- groupOTU(aa, groupInfo1)p<-ggtree(aa,aes(color=group),branch.length='none') p<-p%<+%dd+geom_tippoint(size=3)+geom_tiplab(aes(label=aa),size=2) gheatmap(p,heat,offset=6, width=3, font.size=3, colnames_angle=90,colnames = T)+ scale_fill_manual(values=c("white","#fdbb2d","#1E9600"))+ scale_color_manual(values=c(col[c(3,5,7,8)]))

和弦圖 繪制

############circlize############## library(statnet) library(circlize) #--設(shè)定樣本和物種顏色 col1<-brewer.pal(11, "RdYlBu")[c(2,10)] col2<-c(brewer.pal(8,"Set1")[c(3,4,8,5,7)],"grey") aa<-as.matrix(read.csv("hong_phy.csv",row.names=1))circos.clear() grid.col = NULL grid.col[rownames(aa)] = col2[nrow(aa):1] grid.col[colnames(aa)] = col1##--設(shè)置不同區(qū)塊間隔 circos.par(gap.degree = c(rep(2, nrow(aa)-1), 10, rep(2, ncol(aa)-1), 10),start.degree = 0) ?chordDiagram chordDiagram(aa,directional = F,diffHeight = 0.06,grid.col = grid.col, transparency = 0.5) legend("right",pch=20,legend=rownames(aa)[nrow(aa):1],col=grid.col[rownames(aa)[nrow(aa):1]],bty="n",cex=1,pt.cex=3,border="black")

關(guān)于circle圖形標(biāo)簽重疊問題的解決

這里我將焦碩老師的代碼添加了一行，將重疊的物種標(biāo)簽轉(zhuǎn)化為垂直排布，這將盡可能少的重疊，然后圖例就不需要了

circos.clear() grid.col = NULL grid.col[rownames(aa)] = col2[nrow(aa):1] grid.col[colnames(aa)] = col1##--設(shè)置不同區(qū)塊間隔 circos.par(gap.degree = c(rep(2, nrow(aa)-1), 10, rep(2, ncol(aa)-1), 10),start.degree = 0)chordDiagram(aa,directional = F,diffHeight = 0.06,grid.col = grid.col, transparency = 0.5, annotationTrack =c("grid", "axis"),preAllocateTracks = 2 ) circos.track(track.index = 1, panel.fun = function(x, y) {circos.text(CELL_META$xcenter, CELL_META$ylim[1], CELL_META$sector.index, facing = "clockwise", niceFacing = TRUE, adj = c(0, 0.5)) }, bg.border = NA) # here set bg.border to NA is important

撰文：焦碩 西北農(nóng)林科技大學(xué)

責(zé)編：文濤 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)

審核：劉永鑫 中科院遺傳發(fā)育所

第一作者簡(jiǎn)介

第一作者：焦碩，西北農(nóng)林科技大學(xué)微生物學(xué)博士，北京大學(xué)博士后（全國博士后創(chuàng)新人才計(jì)劃）、現(xiàn)任西北農(nóng)林科技大學(xué)青年教授。

主要關(guān)注人類影響的土壤生態(tài)系統(tǒng)群落構(gòu)建和演替機(jī)制，解析長(zhǎng)期擾動(dòng)土壤的微生物地理格局和演替模式，探究農(nóng)田土壤微生物多樣性及空間分布模式，揭示退耕還林過程土壤深層微生物的二維空間分布模式及其對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)的貢獻(xiàn)，近五年以第一作者在ISME、Microbiome、Global Change Biology、Environmental Microbiology、Molecular Ecology和Soil Biology and Biochemistry等期刊發(fā)表SCI論文17篇，其中12篇影響因子大于5。

作者主頁：https://sm.nwafu.edu.cn/szdw/js2/429961.htm

Reference

Shuo Jiao & Yahai Lu. Abundant fungi adapt to broader environmental gradients than rare fungi in agricultural fields. Global Change Biology. doi:10.1111/gcb.15130 (2020).

https://doi.org/10.1111/gcb.15130

文章全文和代碼：https://github.com/YongxinLiu/Note/tree/master/Cooperate/200510JiaoShuoGCG

拓展閱讀

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寫在后面

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的GCB：农田土壤丰富真菌比稀有真菌适应更广(一作解读+主图重现)的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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