導讀
對於細菌分類學多樣性的海拔分布模式已經得到了廣泛的研究，但很少有研究關注於功能基因多樣性的海拔分布模式。在本文中，作者使用宏基因組方法以及擴增子數據研究了日本承鞍山上沿海拔梯度的細菌中功能基因多樣性的趨勢。根據Bahram等人(2018)的一項全球範圍研究，他們假設，由於在中海拔地區pH最小，MAP最大，所以功能基因的多樣性在中海拔處最低。相反，他們觀察到功能基因多樣性在中海拔處最高，並隨著pH值(從酸性到接近中性)的升高而降低。他們還發現OTU多樣性與功能基因多樣性之間存在微弱的負相關關係。功能基因多樣性中峰模式的出現似乎沒有明顯的生態機制可以解釋。這裡觀察到的趨勢表明，也有必要考慮更複雜的局部趨勢，這些趨勢在很大程度上是被大範圍的全球研究所掩蓋的。細菌的功能基因多樣性與分類學多樣性是分離的，這一事實強調它們都應該被視為多樣性的單獨維度。論文ID
原名: Elevation trend in bacterial functional gene diversity decouples from taxonomic diversity
譯名: 細菌功能基因多樣性與分類學多樣性的海拔趨勢大相逕庭
作者: Dorsaf Kerfahi, Ke Dong, Ying Yang, Hyoki Kim, Koichi Takahashi, Jonathan Adams
原文連結: https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.105099
期刊: CATENA
引言
長期以來，生態學家一直對生物多樣性對海拔梯度的響應方式很感興趣。物種多樣性和群落結構的海拔趨勢已被廣泛報導，包括哺乳動物、鳥類、植物、昆蟲和其他一些無脊椎動物。近年來，由於環境DNA測序和分析技術的進步，微生物和小型土壤動物的群落結構和多樣性也發現了海拔趨勢。很明顯，包括細菌在內的微生物的海拔多樣性格局是複雜的，並且在不同的山地系統中表現出不同的趨勢。中海拔最大值，最小值，單調遞增和單調遞減，和無趨勢都經常被發現在細菌和其他小型生物中。但是，沿海拔梯度基因功能多樣性而非分類學多樣性是一個尚未進行詳細研究的方面。鳥槍法宏基因組測序現已廣泛用於研究土壤微生物群落，並且在其他情況下(例如沿乾旱梯度)也發現了功能基因多樣性的趨勢。 對於功能基因多樣性的各種海拔趨勢，一個合理的假設是基因多樣性與細菌分類學多樣性密切相關。分類學多樣性與功能多樣性的關係以及幹擾與物種或功能性狀多樣性的關係是生態學研究的一個重要課題。例如，Tilman等(2014)指出草原植物分類學多樣性可能與功能性狀多樣性和生態系統恢復力相關。一般來說，對於大型生物來講，當分類學多樣性減少時，功能多樣性也會減少，而這也會降低生態系統的恢復力。Fierer等(2013)發現，在北美草地土壤中，宏基因組的基因多樣性與細菌分類學多樣性密切相關，呈正線性關係。在承鞍山上，由於已經發現在OTU水平上細菌分類學多樣性與土壤pH值密切相關，但沒有規律的海拔變化趨勢，因此最初假設認為承鞍山上的細菌基因多樣性也與土壤pH密切相關，且基因多樣性隨海拔的變化沒有明顯趨勢。 相反，我們也可以合理地假設，隨著海拔的升高，細菌功能基因多樣性會下降。眾所周知，植物的初級生產力很大程度上依賴於年平均溫度(MAT)，並且向生態系統提供豐富而可靠的有機物質通常被認為有利於生態位的多樣化和專門化——包括物種間專門的互惠和拮抗相互作用。這種專門化和生態位多樣化有望在包括細菌在內的生物中產生更廣泛的功能基因，並導致土壤群落中基因功能多樣性因海拔升高而下降。 迄今為止，已發表的土壤中細菌基因多樣性趨勢的最廣泛層面的觀點支持以下觀點，即細菌功能基因多樣性與細菌分類學多樣性密切相關(Bahram，2018年)。Bahram等(2018)在全球範圍內對189個採樣點進行了研究，發現在35-40°左右的中緯度地區，OTU多樣性和功能基因多樣性均出現一個明顯的峰值。pH值是細菌分類學和功能多樣性的最強預測因子，而在中緯度地區佔主導地位的近中性pH值土壤中，多樣性最大。在許多不同的關於細菌分類學多樣性研究中，也有類似的報導稱細菌的生物多樣性在中性pH左右達到峰值。但是，有必要研究這些不同尺度上的分類學多樣性與功能基因多樣性之間的關係，以確定Bahram (2018)發現的分類學多樣性和功能多樣性之間的全球尺度關係是否也適用於其他尺度。同樣，也有必要研究Bahram等人建立的基因功能多樣性背後的環境關係是否也會在更局部的尺度上進行，特別是沿著海拔梯度而不是緯度梯度。 在早期對承鞍山的研究中，Cho等(2019)也同樣發現，細菌的OTU多樣性隨pH值的變化而變化，在pH值約為4至6.5之間，OTU多樣性呈線性增加(圖3b)，中海拔地區的多樣性最低。Bahram等(2018)同樣發現，在全球範圍內，隨著MAP(平均年降水量)的增加，分類學多樣性和功能多樣性均有所減少，pH是分類學多樣性最強的預測因子，而MAP則是功能多樣性稍強的預測因子。由於在承鞍山上中海拔地區pH最小， MAP最大，因此，我們假設功能基因多樣性在承鞍山上表現出類似的中海拔最小值。結果
3.1 從宏基因組方法研究科水平上細菌分類學多樣性的海拔趨勢
我們沒有發現香農多樣性在海拔和MAT上的任何趨勢。然而，香農多樣性與總碳和總氮呈負相關。香農多樣性隨著pH和MAP的增加呈現出駝峰狀模式(圖1)。隨機森林分析表明，總體而言，預測多樣性的主要環境因素是MAP，MAT和土壤NO3-(圖2a)。圖1 在科水平上環境變量與細菌香農多樣性之間的關係。
圖2 隨機森林分析來評估重要預測環境因子，(a)科級別上的細菌分類學香農多樣性，(b)OUT香農多樣性，(c)在第4級別上的功能香農多樣性。
3.2 來自擴增子數據的整體分類學OTU多樣性趨勢
對於細菌擴增子結果，細菌香農多樣性與海拔，MAT，MAP呈凹狀單峰模式，和pH顯示出正相關關係。與來自宏基因組的細菌分類學多樣性相反，香農多樣性與總碳(圖3c)或總氮(圖3d)均不相關。隨機森林分析表明，OTU多樣性的變化主要受pH值的影響，而氣候變量MAT和MAP也起著重要作用(圖2b)。3.3 從宏基因組方法研究第4級別上細菌基因多樣性的海拔趨勢
在基因多樣性中存在一個很強的中海拔最大值(圖4a)，在大約1,700m處達到峰值。土壤pH對第4級別上的基因多樣性的預測比對海拔和MAT的預測要弱(圖4b)，且基因多樣性朝著中性pH下降。第4級別上細菌功能香農基因多樣性也與總碳和總氮顯著相關，顯示出隨著總碳(圖4c)和總氮(圖4d)的增加呈線性正增長。隨機森林分析顯示，MAT是功能多樣性的最重要預測因子(圖2c)。此外，pH，TC和TN也是重要預測指標。圖4 第4級別上細菌功能香農多樣性與環境變量之間的關係。
3.4 細菌功能基因多樣性和分類學多樣性之間的關係
當將第4級功能基因多樣性與細菌科水平多樣性作圖時，沒有發現任何關係(圖5a)。細菌OTU多樣性與4級基因多樣性之間存在微弱的負相關關係(圖5b)。圖5 細菌科水平分類學香農多樣性，OUT香農多樣性和第4級細菌功能基因香農多樣性之間的關係。
3.5 特定類別的功能基因的海拔模式
圖6 特定類別功能基因的相對豐度沿海拔的變化趨勢。
討論
功能基因多樣性和功能豐富度隨海拔升高有一定的變化趨勢嗎？在承鞍山上，功能基因多樣性在中海拔處出現最大值(圖4a)。與功能基因多樣性相反，功能基因豐富度隨海拔升高而沒有明顯的變化趨勢。 就MAP而言，觀察到的功能基因多樣性模式與Bahram等人(2018)的全球研究結果大致相同，與MAP沒有關係(圖4f)。然而，在pH值方面，觀察到的趨勢與Bahram等人(2018)發現的全球趨勢相反，在低pH值時功能多樣性更大(圖4b)。甚至在功能基因多樣性中觀察到的中海拔最大值背後的因果因素也不清楚。同樣，在Bahram等人的早期工作中,他們觀察到的基因多樣性與MAP或pH之間的負相關關係並沒有明確的因果機制，目前對承鞍山的研究表明，在這種海拔梯度背景下，另一組單獨的因果因素可能在起作用。人們可能會認為，細菌細胞在低pH值下調節氫離子需要更多的資源，這將限制額外功能所需的能量，但事實似乎並非如此。 通過隨機森林分析發現有些矛盾的結果，該結果表明，當綜合所有因素後，MAT，總碳和總氮是功能基因多樣性的較強預測因子，並且在剩餘的預測因子中MAP和pH也不重要(圖2)。沒有觀察到MAP或任何其他因素對功能基因豐富度的影響，各樣品之間的豐富度差異很小。沒有明顯的理由說明MAT的中間值在產生中海拔功能多樣性最大值方面具有主導作用的原因，除了它可以同時替代許多環境因素，包括主導植物群落的詳細信息和凋落物和根系分泌物的組成。正如隨機森林分析中所強調的那樣，承鞍山上的功能基因多樣性隨著碳和氮的增加而減少，這可能是由於真菌的競爭作用增加，從而減少了細菌可利用的生態位範圍。 分類學多樣性是功能基因多樣性的預測因子嗎?同樣與假設相反的是，無論是科水平分類學多樣性(基於宏基因組內的核糖體區域)還是OTU多樣性(基於16S擴增子序列)都不能直接解釋所觀察到的功能多樣性趨勢。科水平分類學多樣性與基因多樣性之間沒有統計學上的關係，部分原因可能是不同樣本科水平分類學多樣性的香農指數變化不大，從而限制了解釋力。對於OTU多樣性，與基因功能多樣性之間只有負回歸關係。這種分類學和功能多樣性之間的分離不同於在北美草原土壤中，沿青藏高原的乾旱梯度，以及在微觀世界中對nif基因進行的實驗中所見的細菌分類學和基因功能多樣性之間的相似性。 傳統上，在生態學中，分類學多樣性被認為與功能多樣性密切相關，各種研究表明細菌是符合這種情況的，但是從這項研究中我們發現，在細菌生態學中，兩者有時顯然是可以分離的。為什麼按照分類學單位定義的多樣性並不總是與功能多樣性保持正相關？一個可能解釋缺乏聯繫的猜想是，定義土壤細菌群落中生態位和共存的過程並沒有受到功能變化的真實範圍的很大影響，而是選擇了一組群落內與競爭和共存有關的基因。 從我們的數據集中還可以看出，某些類型的土壤環境傾向於選擇總體上具有更多基因功能的細菌類型，而與總體分類學上的多樣性無關。例如，承鞍山上的低pH土壤比低酸性土壤具有更高的基因多樣性-儘管與pH和生物分類多樣性之間的趨勢相反。因此，部分解釋可能取決於生活在低pH土壤環境中的特定要求或生態位可能性。假設，具有不同pH值範圍的樣本集(如Fierer和Jackson, 2006, Song et al，2019，樣品偏鹼性)可能顯示出與承鞍山(承鞍山上的所有樣本都處於酸性偏中性的pH值)上不同的分類學多樣性-基因多樣性關係。 這項研究僅涉及基因功能的經驗數據，沒有對土壤微生物群落進行任何直接的生理測量或土壤生化測量。研究土壤功能多樣性和恢復力是否與基因多樣性或分類學多樣性密切相關，具有重要意義。我們也只處理DNA，而不處理功能性表達的RNA，RNA可以隨時顯示真正的功能多樣性。但是，將功能基因多樣性估算值基於土壤中的總DNA基因庫可能更好地反映了功能的真實多樣性，因為mRNA表達可能會在幾分鐘，幾小時和幾天內發生變化，而DNA基因庫提供了一個更完整的時間視角。