瞬息萬變的世界中的土壤微生物生物地理學(xué)：最新進(jìn)展和未來展望

Soil Microbial Biogeography in a Changing World: Recent Advances and Future Perspectives

mSystems 【Impact Factor 6.519】

DOI：https:///10.1128/mSystems.00803-19

文章鏈接：https://msystems./content/5/2/e00803-19

發(fā)表日期：2020-04-21

第一作者：Haiyan Chu(褚海燕)^a,b

通訊作者：褚海燕([email protected])^a,b,M anuel Delgado-Baquerizo([email protected])^c

合作作者：Gui-Feng Gao, Yuying Ma, Kunkun Fan (范坤坤)

主要單位：

^a中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, China)

^b中國科學(xué)院大學(xué)(University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)

^c西班牙塞維利亞巴勃羅.德.奧拉維德大學(xué)(Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales, Universidad Pablo de Olavide, Seville, Spain)

寫在前面

分享標(biāo)題：南京土壤所褚海燕研究員受邀在mSystems雜志發(fā)表微生物生物地理學(xué)綜述

關(guān)鍵字：土壤微生物，生物地理學(xué),，研究進(jìn)展,，未來展望

摘要：土壤微生物群落對(duì)于維持與凋落物分解，養(yǎng)分循環(huán)和植物生產(chǎn)力相關(guān)的關(guān)鍵土壤過程至關(guān)重要,，因此對(duì)人類福祉至關(guān)重要,。目前的技術(shù)進(jìn)步極大地增加了我們對(duì)微生物群落在空間和時(shí)間上全球生態(tài)分布的認(rèn)識(shí)，并為它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的貢獻(xiàn)提供了證據(jù),。但是,，隨著技術(shù)和研究問題的不斷發(fā)展，在未來幾年中,，土壤生物地理學(xué)方面的主要知識(shí)缺口仍待解決,。在本綜述中，作者描述了土壤微生物生物地理學(xué)研究的最新進(jìn)展和未來方向,，并討論了對(duì)一個(gè)微生物種類更清晰的概念,，對(duì)未來全球變化情景的土壤微生物分布的預(yù)測(cè)，以及采用培養(yǎng)和分離方法來確定微生物功能概況的重要性和必要性,。這些知識(shí)對(duì)于在瞬息萬變的世界中更好地預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要,。

視頻介紹

南土所褚海燕受邀在mSystems發(fā)表微生物生物地理學(xué)綜述

雜志為本文制作的視頻簡(jiǎn)介

視頻地址：https://v.qq.com/x/page/w0954qcq0r3.html

快訊

土壤微生物生物地理學(xué)旨在研究土壤中微生物的空間分布格局及其時(shí)間動(dòng)態(tài)，其研究有助于深入挖掘土壤微生物資源,，深刻理解微生物多樣性的產(chǎn)生和維持機(jī)制,，并預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)功能的演變方向。微生物組學(xué)及生物信息技術(shù)的進(jìn)步不斷提高了我們對(duì)于微生物群落的時(shí)空分布及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí),，然而,，土壤微生物生物地理學(xué)研究目前仍面臨諸多難題與挑戰(zhàn)。

應(yīng)美國微生物學(xué)會(huì)mSystems主編的邀請(qǐng),，南京土壤所褚海燕課題組以“Soil Microbial Biogeography in a Changing World: Recent Advances and Future Perspectives”為題撰寫了綜述論文,。該綜述首先通過數(shù)據(jù)庫檢索，簡(jiǎn)要回顧了微生物生物地理學(xué)研究在土壤,、海洋,、陸地水體等不同生態(tài)系統(tǒng)中的發(fā)展歷程(圖1)，并重點(diǎn)闡述了土壤微生物生物地理學(xué)研究的前沿方向及發(fā)展態(tài)勢(shì)(圖2),。

圖 1 長期以來在微生物生物地理學(xué)領(lǐng)域已發(fā)表文章的數(shù)量

Numbers of published articles in the field of microbial biogeography over time

(A) 有關(guān)不同生態(tài)系統(tǒng)已發(fā)表文章的數(shù)量,。關(guān)鍵字[(microorganism or microbe or bacter or archae or fung) 和(spatial distribution or biogeograph or geographic distance)]用于搜索與微生物生物地理學(xué)有關(guān)的論文。添加了代表每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的其他關(guān)鍵字,，如下所示：土壤(soil),，海洋(ocean or sea or marine),，內(nèi)陸水體(river or lake or spring or stream)和冰川(ice sheet or glacier*)。垂直虛線表示相關(guān)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn),。

(B) 與所有不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)土壤有關(guān)的已發(fā)表文章數(shù)量,。添加了代表每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的其他關(guān)鍵字，如下所示：森林(forest 或tree 或shrub),，農(nóng)田(crop 或 farmland 或 paddy 或 agricultur 或 rice 或 wheat 或 till 或 field soil 或 corn 或 upland 或 peanut),，草原(grassland 或 prairie 或 turfgrass 或 grass 或 steppe 或 meadow 或 herb 或 sedge)和沙漠(desert)。所有數(shù)據(jù)均來自Web of Science核心收錄,。星號(hào)表示用于搜索的所有可能的單詞結(jié)尾,；例如fung代表fungus, fungi, and fungal。

圖 2 土壤微生物生物地理學(xué)中需要進(jìn)行時(shí)空研究的主要領(lǐng)域

Diagram of the main research fields in soil microbial biogeography that need to be studied spatially and temporally

具有不同顏色標(biāo)題的方框表示不同的研究領(lǐng)域,。一些圖表元素是根據(jù)Ladau等人的工作進(jìn)行修改的,。OTUs，可操作分類單元,。

圖2重點(diǎn)闡述了土壤微生物生物地理學(xué)研究的前沿方向及發(fā)展態(tài)勢(shì)，主要包括以下三個(gè)方面：

(1)全球尺度下土壤微生物群落分布規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制

目前,，我們對(duì)于微生物群落在不同空間尺度上的分布規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因子有了更深入的了解,。然而，不同研究區(qū)域,、生境特征和微生物類群等的差異使得微生物群落的分布特征存在較大差異,，因此，亟需加強(qiáng)全球合作及數(shù)據(jù)共享,。今后還需要進(jìn)一步明確微生物物種的定義,，加強(qiáng)在較大空間尺度下研究土壤微生物群落的時(shí)間動(dòng)態(tài)，微生物間的互作關(guān)系及其食物網(wǎng)的時(shí)空分布,。

(2)土壤微生物時(shí)空分布與生態(tài)系統(tǒng)功能的耦聯(lián)

微生物生物地理學(xué)研究的一個(gè)主要目標(biāo)就是將微生物群落的分布與生態(tài)系統(tǒng)功能(養(yǎng)分循環(huán),、植物生長、公共衛(wèi)生和生態(tài)系統(tǒng)多功能性等)進(jìn)行耦聯(lián),。目前,，微生物多樣性-功能的關(guān)系大都基于觀測(cè)數(shù)據(jù)，未來需要通過微生物的分離培養(yǎng),、全基因組測(cè)序,、蛋白質(zhì)組學(xué)以及合成生物學(xué)等技術(shù)來解析特定微生物的功能，并進(jìn)一步通過調(diào)控微生物來促進(jìn)植物生長和健康,、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和緩解全球氣候變化,。

(3)全球變化背景下土壤生物多樣性及其功能的分布圖譜繪制

目前，我們已經(jīng)可以對(duì)某些微生物類群的分布及功能進(jìn)行預(yù)測(cè),，然而,，仍缺乏對(duì)核心微生物或關(guān)鍵物種的預(yù)測(cè),。數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展、微生物群落的時(shí)間動(dòng)態(tài)和微生物間的互作關(guān)系對(duì)于提高模型的預(yù)測(cè)精度及微生物分布圖譜的繪制至關(guān)重要,。高精度模型可進(jìn)一步用于預(yù)測(cè)環(huán)境變化下的土壤生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的時(shí)空動(dòng)態(tài),，并有助于氣候變化下的土壤生物多樣性保護(hù)和生態(tài)功能發(fā)揮。

展望未來

土壤微生物生物地理學(xué)已成為土壤生物學(xué)和微生物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)(圖. 1),。分子技術(shù)方面的最新進(jìn)展以及全球努力的存在,，例如“地球微生物組計(jì)劃(EMP)”，本綜述總結(jié)了微生物生物地理學(xué)領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)和研究問題,。我們解決其中一些問題的能力仍然受到方法論問題的限制,。例如，來自不同研究的數(shù)據(jù)收集和方法的差異使得在區(qū)域或全球范圍內(nèi)進(jìn)行綜合分析變得困難,。此外,，當(dāng)前的全球和時(shí)間采樣數(shù)據(jù)存在重大差距，這限制了我們預(yù)測(cè)空間和時(shí)間上土壤微生物分布的能力,。本綜述確定了一些主要研究領(lǐng)域,，需要進(jìn)行研究以推動(dòng)微生物生物地理學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。有必要提出一個(gè)更廣的微生物物種概念,，我們對(duì)未來的全球變化情景做出土壤微生物組預(yù)測(cè)的能力有待提高,，土壤食物網(wǎng)內(nèi)部復(fù)雜性的重要性應(yīng)該被接受，并且確定微生物功能特征的培養(yǎng)和分離方法必不可少,。這些知識(shí)可能有助于我們應(yīng)對(duì)未來環(huán)境變化的挑戰(zhàn),，并提高我們準(zhǔn)確預(yù)測(cè)微生物群落及其在不斷變化的世界功能的能力。我們提議在未來的微生物生物地理學(xué)研究中面臨以下挑戰(zhàn)和研究機(jī)會(huì),。

(i)仍然缺乏對(duì)微生物物種的明確定義,，這對(duì)于生物地理學(xué)研究至關(guān)重要

A clear definition of microbial species is still lacking and is essential for biogeographic studies

高通量測(cè)序的發(fā)展已導(dǎo)致基于物種的譜系、基因組和表型一致性的微生物物種定義快速發(fā)展,；但是,，關(guān)于“微生物物種”的概念尚未達(dá)成明確共識(shí)。基于PCR(系統(tǒng)型)的微生物物種定義導(dǎo)致了特定的物種組,，這限制了我們識(shí)別新物種及其生態(tài)偏好的能力,。這樣，需要進(jìn)一步開展基于非PCR方法,，高通量培養(yǎng)和鑒定技術(shù)以及更快的微生物分離和培養(yǎng)的工作,，以擴(kuò)大參考數(shù)據(jù)庫(例如GenBank，Greengenes和Silva)并填補(bǔ)空白微生物分類,。最近,，開發(fā)了基因組分類數(shù)據(jù)庫(GTDB)，以基于序列距離提供分類學(xué)水平的更實(shí)際和客觀的定義,，現(xiàn)在這是收集用于系統(tǒng)發(fā)育分析的序列的主要起點(diǎn),，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物種的命名和其他分類水平,。

(ii)微生物群落的時(shí)間分布在很大程度上仍然未知

The temporal distribution of microbial communities remains largely unknown

盡管已觀察到微生物群落組成的較大時(shí)間差異，但有關(guān)大空間尺度上微生物群落隨時(shí)間(例如,，季節(jié),，年份或更長的時(shí)間范圍)變化的信息目前是一個(gè)主要的知識(shí)空白。基于時(shí)空替代方法(例如土壤時(shí)間序列,，演替和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)),，發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落可能隨時(shí)間發(fā)生可預(yù)測(cè)的變化。但是,，此類研究通常具有挑戰(zhàn)性,，因?yàn)獒槍?duì)時(shí)間動(dòng)態(tài)的DNA測(cè)序方法的分辨率受死生物和活生物體測(cè)序的限制，而且我們?nèi)狈τ嘘P(guān)全球分布地點(diǎn)以及多年的微生物群落的信息,。因此,，例如，使用DNA方法將樣品中存在的遺跡DNA作為混雜因素是檢測(cè)微生物群落中精細(xì)尺度時(shí)間模式的關(guān)鍵,。此外,，未來的全球努力，包括CLIMIFUN,，NEON,，LUCA和NUTNET等現(xiàn)有的全球合作努力，應(yīng)旨在監(jiān)測(cè)土壤微生物的時(shí)間變化,，并在極地，熱帶和干旱地區(qū)以及非洲,，南極洲和南美等大洲研究欠佳的地區(qū)設(shè)置其他站點(diǎn),。這些年來積累的樣本和數(shù)據(jù)將幫助我們更好地了解未來的全球變化情況下微生物群落的變化。

(iii)生物應(yīng)該被改造以支持人類發(fā)展

Organisms should be engineered to support human development

與合成生物學(xué)的使用相關(guān)的微生物生物地理學(xué)的未來進(jìn)展,，微生物培養(yǎng)的新方法以及多種生物組學(xué)(例如宏轉(zhuǎn)錄組學(xué),，宏蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué))可能有助于我們利用土壤微生物組，在不斷變化的世界中促進(jìn)作物生產(chǎn)和健康,。我們?nèi)匀贿h(yuǎn)遠(yuǎn)不知道每個(gè)微生物物種都在發(fā)揮什么功能以及它們對(duì)陸地功能的貢獻(xiàn),，然而，已經(jīng)提出合成生物學(xué)方法和微生物工程學(xué)可以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù),，增加根際驅(qū)動(dòng)的農(nóng)作物產(chǎn)量和促進(jìn)病蟲害防治,，以應(yīng)對(duì)全球環(huán)境變化，甚至有助于其他衛(wèi)星和行星的地球化,，使其與地球更加相似,。

(iv)研究人員應(yīng)該對(duì)未來的土壤微生物組做出預(yù)測(cè)

Researchers should make predictions for the soil microbiome into the future

提高模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性對(duì)于微生物作圖至關(guān)重要。首先,，必須從更多類型的棲息地和盡可能多的地點(diǎn)收集土壤樣本,，以豐富數(shù)據(jù)庫,。第二，土壤微生物群落具有時(shí)間動(dòng)態(tài)性,；因此,，有必要了解不同時(shí)間尺度的微生物變化。第三,，不僅需要考慮微生物多樣性和群落組成,，還需要考慮其他信息，例如微生物相互作用(微生物－微生物,，微生物－植物,，微生物－宿主相互作用)，并將其整合到模型中以提高我們預(yù)測(cè)全球范圍內(nèi)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)功能(例如碳存儲(chǔ))變化的能力,。這些精度提高的模型可以進(jìn)一步用于預(yù)測(cè)環(huán)境變化時(shí)土壤生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的時(shí)空動(dòng)態(tài),，這將有助于保護(hù)土壤生物多樣性并在未來氣候變化下發(fā)揮生態(tài)功能。

通訊作者簡(jiǎn)介

褚海燕,，中國科學(xué)院南京土壤研究所研究員,，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院大學(xué)土壤生物學(xué)首席教授,。1994和1997年分別于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士和碩士學(xué)位,。2000年于中國科學(xué)院南京土壤研究所獲博士學(xué)位并留所工作。2001.6-2003.9在日本國際農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)研究中心（JIRCAS）任長期招聘研究員,。2004.10-2007.2在日本國立農(nóng)業(yè)環(huán)境技術(shù)研究所(NIAES)任日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）特別研究員,。2007.4 -2010.8在加拿大Queen’s University任研究助理。2010年8月全職回到南京土壤研究所工作,。主要研究土壤微生物生物地理學(xué),，土壤微生物群落與功能對(duì)全球變化與農(nóng)業(yè)管理的響應(yīng)。目前在ISME J,、Microbiome 等雜志發(fā)表論文200余篇,，其中SCI論文120篇，H因子37,。擔(dān)任mSystems,、Environmental Microbiology等5種國際雜志編委，作為共同主編創(chuàng)辦了Soil Ecology Letters 雜志,。2019年入選ESI“全球高被引學(xué)者”,、全球“環(huán)境科學(xué)”高產(chǎn)作者TOP100。

Manuel Delgado-Baquerizo 2013年在西班牙巴勃羅·德·奧拉維德大學(xué)獲得博士學(xué)位,。之后分別在2014年至2016年在澳大利亞西悉尼大學(xué),，2016年至2018年在美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校做博后，2018年至2019年西班牙雷伊·胡安·卡洛斯大學(xué)和阿利坎特大學(xué)從事博士后科研工作,。目前,，他是西班牙UPO的Ramon y Cajal研究人員,。還是西悉尼大學(xué)的名譽(yù)研究員（2016年至今）和中國科學(xué)院的副研究員（2019年至今）。Manuel是一位生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)家,，在土壤微生物生態(tài)學(xué),、全球環(huán)境變化、古氣候,、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能等方面具有很強(qiáng)的多學(xué)科背景,。他是兩個(gè)全球協(xié)作網(wǎng)絡(luò)CLIMIFUN和MUSGONET的主要協(xié)調(diào)員，其目的是更好地了解跨時(shí)空的陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物群落,。

Manuel Delgado-Baquerizo completed his Ph.D. at the Universidad Pablo de Olavide(UPO, Spain; 2013). Since then, he has worked as a postdoc at Western Sydney University(WSU, Australia; 2014 to 2016), the University of Colorado at Boulder (USA, 2016to 2018), the Universidad Rey Juan Carlos(Spain, 2013 and 2018 to 2019), and the Universidad de Alicante (2019). Currently, he is a Ramon y Cajal researcher at the UPO, Spain. He is also an honorary fellow at WSU(2016 to the present) and an adjunct professor at the Chinese Academy of Sciences (2019 to the present). Manuel is an ecosystem ecologist witha strong multidisciplinary background in soil microbial ecology, globalenvironmental change, paleoclimates, biodiversity, and ecosystemfunctioning. He is the main coordinator of the two global collaborative networks CLIMIFUN and MUSGONET, which are aimed to better understandthe soil microbiomes of terrestrial ecosystems across space andtime.MinireviewMarch/

Reference

Haiyan Chu, Gui-Feng Gao, Yuying Ma, Kunkun Fan & Manuel Delgado-Baquerizo. Soil Microbial Biogeography in a Changing World: Recent Advances and Future Perspectives. mSystems 5, e00803-00819, doi:https:///10.1128/mSystems.00803-19 (2020).