林秋沙,嚴(yán)雨亭,袁程昱,李帥軍,賀紀(jì)正,于丹婷
(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350117;2.福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福建 福州 350117)
異常的自然災(zāi)害和過(guò)度的人為干擾已經(jīng)造成了森林大面積退化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能喪失等嚴(yán)重問(wèn)題[1]。全球各國(guó)正在擴(kuò)大森林恢復(fù)規(guī)模,以提供關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和提高生物多樣性效益,如碳儲(chǔ)存、土壤侵蝕控制、供水和木材生產(chǎn)等[2]。了解森林受到干擾之后的恢復(fù)過(guò)程是森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要需求。自然恢復(fù)與人工造林是全球森林恢復(fù)的兩種主要模式[1],有研究指出,人工純林可能會(huì)導(dǎo)致土壤衰退、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等問(wèn)題[3],而自然恢復(fù)往往被認(rèn)為具有更高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[4]。通過(guò)對(duì)不同更新方式下森林土壤微生物相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定比較,能夠及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)土壤微生物群落及功能變化,這對(duì)揭示森林管理方式下土壤質(zhì)量演變的微生物學(xué)機(jī)理具有重要意義。特別是天然林轉(zhuǎn)換為人工林使得微生物生物量[5]、真細(xì)菌比[6]等都顯著降低,且土壤微生物群落由K-策略占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)镽-策略的微生物占主導(dǎo)[7],這使得微生物群落結(jié)構(gòu)趨于不穩(wěn)定。目前相關(guān)研究多集中于真菌和細(xì)菌,卻很少關(guān)注到土壤病毒。
土壤微生物能夠改善表層土的物理化學(xué)性質(zhì),保持土壤有機(jī)質(zhì)含量,在森林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[8]。病毒作為地球上最豐富的生物實(shí)體[9],通過(guò)調(diào)節(jié)微生物群落動(dòng)態(tài)[10]、在感染期間重新編程宿主代謝[11]以及作為水平基因轉(zhuǎn)移的載體[12],在影響土壤微生物群落和功能方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。陸地生態(tài)系統(tǒng)中76% ~ 98%的有機(jī)碳存儲(chǔ)于森林生態(tài)系統(tǒng),森林是調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)的巨大“生物泵”[13]。研究發(fā)現(xiàn)土壤病毒可以作為重要因子調(diào)節(jié)土壤中的碳損失[14],而森林土壤病毒豐度高達(dá)109VLP·g-1干土[15],且土壤病毒能夠通過(guò)感染土壤微生物群對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生重大影響[16]。例如,在紅樹(shù)林土壤病毒中鑒定出的參與復(fù)雜多糖生物分解的輔助碳水化合物活性酶,就證明了土壤病毒可能通過(guò)復(fù)雜多糖的生物分解直接操縱碳循環(huán)[17]。
為比較不同更新方式下次生林土壤病毒群落及其潛在功能差異,本文選擇了白砂國(guó)有林場(chǎng)皆伐后自然恢復(fù)和人工種植杉木兩種更新方式的林地(林齡為40年)為研究對(duì)象,以及林齡大于100年的次生林作為對(duì)照,利用宏病毒組學(xué),探討不同更新方式對(duì)亞熱帶森林土壤病毒群落組成與功能的影響,以期為森林經(jīng)營(yíng)管理和森林恢復(fù)提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
采樣點(diǎn)位于福建省龍巖市上杭縣白砂國(guó)有林場(chǎng)(24°46′-25°28′ N,116°16′-116°57′ E),屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫為20.1 ℃,年降水量1 600 mm,森林總蓄積76×104m3。本研究于2018年6月采集該林場(chǎng)杉木人工林和天然更新次生林長(zhǎng)期試驗(yàn)點(diǎn)土壤。杉木人工林屬人工種植林,林齡約40年,天然更新林和原生林均為杉木砍伐后的自然演替林,前者林齡約40年,后者林齡大于100年。其中,杉木人工林喬木層樹(shù)種以杉木(Cunninghamialanceolata)為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種,胸高斷面積約為43.37 m2·hm-1;林下植被以閩楠(Phoebebournei)、黃絨潤(rùn)楠(Machilusgrijsii)、粗葉榕(Ficushirta)、地桃花(Urenalobata)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)等為主。天然次生林的在演替前期以是杉木(Cunninghamialanceolata)為主,胸高斷面積約為27.69 m2·hm-1,而后期形成以栲樹(shù)(Castanopsisfargesii)、木荷(Schimasuperba)等當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)樹(shù)種為主的闊葉林,胸高斷面積約為56.80 m2·hm-1;林下植被主要包括黃瑞木(Adinandramillettii)、榕葉冬青(Ilexficoidea)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、長(zhǎng)刺帶葉苔(Pallaviciniasubciliata)等。選用梅花布點(diǎn)法布設(shè)樣點(diǎn),樣點(diǎn)之間的間隔大于3 m,每個(gè)樣品選取3個(gè)樣點(diǎn),在每個(gè)采樣點(diǎn)采集0~10 cm表層土壤。土樣采集后立即使用冰盒運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室,所有土壤樣品過(guò)2 mm篩以去除摻雜的碎石及植物碎屑,并于4 ℃保存用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
土壤病毒DNA提取流程參考農(nóng)田土壤病毒的提取方法并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化[18],改進(jìn)方法簡(jiǎn)述如下,稱取500 g過(guò)2 mm篩的新鮮土樣,與3 L 1%的檸檬酸鉀緩沖液混勻,于150 r·min-1振蕩15 min,隨后以1 500×g離心10 min,并收集上清液。剩余土壤沉淀再次加入緩沖液進(jìn)行重懸浮、振蕩和離心,重復(fù)洗脫3次。隨后采用切向流過(guò)濾系統(tǒng)(Tangential Flow Filter System,QuixStand,GE Healthcare Life Sciences,Pittsburgh,PA,USA)、30 ku超濾離心管(Merck Millipore Ltd.,Tullagreen,Ireland)進(jìn)行濃縮。將所得的病毒濃縮液使用DNase I(Promega,Madison,Wisconsin,USA)于37 ℃孵育30 min(20 units·μL-1),以去除游離的胞外DNA。隨后利用Power Viral Environmental RNA/DNA Isolation Kit(Qiagen,Hilden,Germany)提取病毒DNA。選取細(xì)菌16S rRNA基因?qū)Σ《綝NA進(jìn)行PCR檢測(cè)(引物27F/1492R),以確保沒(méi)有細(xì)菌污染[19],并將病毒DNA于-80 ℃保存[20]。
利用超聲破碎儀Covaris M220(Covaris,Woburn,MA,USA)對(duì)病毒DNA進(jìn)行隨機(jī)打斷(長(zhǎng)度約350 bp),隨后使用Accel-NGS 1S Plus DNA Library Kit(Integrated DNA Technologies(IDT)Ann Arbor(formerly Swift Biosciences),Michigan,USA)進(jìn)行宏病毒組文庫(kù)構(gòu)建。利用Nanodrop和Qubit對(duì)病毒DNA進(jìn)行純度和濃度檢測(cè),建庫(kù)后質(zhì)檢合格的樣品進(jìn)行Illumina HiSeq 2500高通量測(cè)序。測(cè)序所得宏病毒組原始序列提交至NCBI Sequence Read Archive(SRA)數(shù)據(jù)庫(kù),獲得數(shù)據(jù)收錄號(hào)。
原始測(cè)序數(shù)據(jù)利用fastp軟件以默認(rèn)參數(shù)去除接頭與低質(zhì)量序列,獲得clean reads[21]。運(yùn)用SortMeRNA v2.1去除clean reads中的核糖體序列[22],利用bbmap與NCBI UniVec數(shù)據(jù)庫(kù)(ftp:∥ftp.ncbi.nlm.nih.gov/pub/UniVec,March2017)進(jìn)行比對(duì),去除可移動(dòng)遺傳元件。然后使用metaSPAdes對(duì)clean reads進(jìn)行組裝拼接,得到原始contigs[23]。Clean reads與病毒數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行Blastx比對(duì)和物種注釋(EValue<1e-5,score值>50)[24],病毒數(shù)據(jù)庫(kù)綜合了NCBI non-redundant(NR)database,Refseq virus database和PHAST網(wǎng)站上的噬菌體數(shù)據(jù)庫(kù)(截至2018年8月)[25]。依據(jù)病毒物種注釋結(jié)果,通過(guò)Virus Host DB在線網(wǎng)站進(jìn)行病毒宿主預(yù)測(cè)。使用Prodigal v2.6.3以默認(rèn)參數(shù)對(duì)比對(duì)到的病毒序列進(jìn)行開(kāi)放閱讀框(ORFs)預(yù)測(cè)[26],并將預(yù)測(cè)得到的蛋白序列與KEGG蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)(EValue<1e-5),利用MEGAN 6對(duì)病毒功能進(jìn)行分類[27],使用dbCAN meta server在線分析網(wǎng)站對(duì)病毒contigs進(jìn)行CAZyme輔助代謝基因注釋[28]。
通過(guò)宏病毒組測(cè)序,從杉木人工林(S40)、天然更新次生林(T40)和原生林(Y100)土壤樣品中分別獲得20 304 087、25 732 571、32 923 917條clean reads,其中分別有163 339、310 235和468 921條clean reads比對(duì)上病毒數(shù)據(jù)庫(kù)。將clean reads進(jìn)行拼接,在杉木人工林、天然更新次生林和原生林土壤宏病毒組中分別得到2 800、6 521和16 990條contigs(>300 bp)。通過(guò)與病毒數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),結(jié)果如圖1(a)所示,長(zhǎng)尾噬菌體科(Siphoviridae)為原生林和天然更新次生林土壤樣品中的主要病毒類群,分別占比62.60%和31.49%,而其在杉木人工林土壤中僅占比16.72%;其次是肌尾噬菌體科(Myoviridae),在天然更新次生林土壤中占比22.93%,高于其在原生林和杉木人工林中的占比(10.83%和8.33%)。而杉木人工林土壤樣品中的主要病毒類群為微小噬菌體科(Microviridae),占比27.89%,遠(yuǎn)高于其在原生林和天然更新次生林土壤中的比例(1.52%和1.41%),其次是長(zhǎng)尾噬菌體科(16.72%)。
3種土壤均檢測(cè)到擬菌病毒科(Mimiviridae)、Phycodnaviridae、短尾噬菌體科(Podoviridae)、環(huán)狀病毒科(Circoviridae)等。此外,小環(huán)狀DNA病毒科(Smacoviridae)僅在杉木人工林和天然更新次生林土壤樣品中檢測(cè)到。嗜肝病毒科(Hepadnaviridae)、乳頭瘤病毒科(Papillomaviridae)、Lavidaviridae、嗜鹽紡錘形噬菌體科(Halspiviridae)僅在杉木人工林和原生林土壤樣品中檢測(cè)到。古噬菌體科(Rudiviridae)、復(fù)層噬菌體科(Tectiviridae)僅在天然更新次生林和原生林土壤樣品中檢測(cè)到(圖1(b))。在天然更新次生林、杉木人工林和原生林的土壤中均發(fā)現(xiàn)了核質(zhì)巨大DNA病毒成員,包括痘病毒科(Poxviridae)、 虹膜病毒科(Iridoviridae)、囊泡病毒科(Ascoviridae)、藻類去氧核糖核酸病毒科(Phycodnaviridae)、馬賽病毒科(Marseilleviridae)和擬菌病毒科(Mimiviridae)、潘多拉病毒科(Podoviridae),NCLDV在原生林、天然更新次生林、原生林中的占比依次為9.77%、20.83%、12.20%。
(a)土壤病毒科水平物種組成,(b)共有和特有的病毒科數(shù)目韋恩圖。 圖1 不同更新方式下土壤病毒群落組成Fig.1 Taxonomic compositions of viral communities under different restoration patterns
圖2 病毒宿主分析Fig.2 Host analysis
選取相對(duì)豐度最高的長(zhǎng)尾噬菌體科、肌尾噬菌體科、微小噬菌體科和擬菌病毒科在Virus Host DB在線網(wǎng)站上進(jìn)行已知宿主檢索,結(jié)果見(jiàn)圖2,病毒的主要宿主分屬于5個(gè)細(xì)菌門(mén),其中放線菌門(mén)(Actinobacteria)和變形菌門(mén)(Proteobacteria)占比最多(74.52%和17.01%),其次是厚壁菌門(mén)(Firmicutes)和雙環(huán)菌門(mén)(Bigyra)(5.13%和2.28%),變形蟲(chóng)門(mén)(Amoebozoa)最少(1.06%)。在屬水平上,戈登氏菌屬(Gordonia)占比最大(44.85%),紅球菌屬(Rhodococcus)和農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)次之(15.38%和8.78%),此外,還發(fā)現(xiàn)了部分致病的分枝桿菌屬(Mycolicibacterium)(3.49%)和鏈霉菌屬(Streptomyces)(0.9%)。其中杉木人工林主要宿主為寡養(yǎng)單胞菌屬(Stenotrophomonas)(39.39%)、農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)(17.49%),天然更新林為農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)(23.90%)、芽孢桿菌屬(Bacillus)(12.00%),而原生林的主要病毒宿主則為戈登氏菌屬(Gordonia)(61.19%)、紅球菌屬(Rhodococcus)(20.20%)。
使用Prodigal v2.6.3對(duì)病毒contigs進(jìn)行基因預(yù)測(cè)[26],并將預(yù)測(cè)所得基因蛋白序列與KEGG蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)(EValue<1e-5),利用MEGAN 6對(duì)3種土壤病毒進(jìn)行功能分類(圖3)[27-28]。Level 1水平上,3種土壤均注釋到4種病毒功能,其中“Metabolism”和“Genetic Information Processing”占比較高,“Environmental Information Processing”和“Cellular Processes”次之。Level 2水平共比對(duì)到17個(gè)病毒功能,其中“Replication and repair”、 “Amino acid metabolism”和“Nucleotide metabolism”豐度最高,這些功能對(duì)病毒的繁殖和存活至關(guān)重要。值得注意的是,“Carbohydrate Metabolism”在亞熱帶森林土壤病毒功能中所占比例較高。
圖3 病毒功能注釋Fig.3 Functional profile of viromes
為了探究不同更新方式森林土壤病毒在碳循環(huán)中的功能,進(jìn)行了碳水化合物活性酶 (CAZymes)的識(shí)別。根據(jù)CAZy和NCBI非冗余蛋白(NR)數(shù)據(jù)庫(kù)注釋結(jié)果(圖4),在原生林土壤中注釋到的編碼病毒CAZyme相關(guān)基因豐度最高(210個(gè)),遠(yuǎn)高于天然次生林(69個(gè))和杉木人工林(4個(gè)),基因注釋結(jié)果屬于輔助氧化還原酶(auxiliary activities,AA)、碳水化合物結(jié)合模塊(Carbohydrate-binding modules,CBM)、碳水化合物酯酶(Carbohydrate esterases,CE)、糖苷水解酶(Glycoside hydrolases,GH)和糖基轉(zhuǎn)移酶(Glycosyl transferases,GT)5個(gè)CAZyme功能類型,其中糖苷水解酶的比重最高(78.45%),糖基轉(zhuǎn)移酶次之(16.25%),輔助氧化還原酶、碳水化合物酯酶和碳水化合物結(jié)合模塊占比最低(2.83%、1.77%和0.71%)?;蛩缴?,GH24、GH23和GH13基因豐度最高(23.67%、19.43%和9.19%),有152個(gè)基因?qū)儆谌芫富驇锥≠|(zhì)酶,其余基因包括α-淀粉酶、纖維素合成酶等。在原生林和天然更新次生林中主要發(fā)現(xiàn)的CAZymes為糖苷水解酶(88.57%、47.83%),在天然更新次生林中也有相當(dāng)比例的糖基轉(zhuǎn)移酶(39.13%),而在杉木人工林中僅發(fā)現(xiàn)CBM50、GH24、GH32、GH73。
宏病毒組物種注釋結(jié)果表明,原生林、天然更新次生林、杉木人工林土壤病毒群落呈現(xiàn)顯著差異。原生林和天然更新次生林中dsDNA病毒占優(yōu)勢(shì),而在杉木人工林中占比最高的則為ssDNA病毒。其中有尾噬菌體目長(zhǎng)尾噬菌體科在3個(gè)森林土壤中均為主要病毒類群。相關(guān)研究表明,長(zhǎng)尾噬菌體科在紅樹(shù)林[17]、馬尾松林[29]、城市森林[30]等不同森林類型中均為優(yōu)勢(shì)分類單元。長(zhǎng)尾噬菌體非經(jīng)典的DNA聚合方式使宿主細(xì)菌的免疫系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別該噬菌體基因組,從而增加侵染效率并維持自身基因組的穩(wěn)定,這種特殊的DNA聚合方式可以解釋其在環(huán)境中大量存在的原因[31]。而在杉木人工林中微小噬菌體病毒科的占比顯著增加。微小噬菌體科的宿主主要為腸桿菌科和專性寄生菌[32],且在感染周期中的潛伏期短、子代釋放量大[33],從而廣泛分布于環(huán)境中,如海洋、污水、人體腸道和沉積物等。杉木林人工林中高比例的微小噬菌體科可能是因?yàn)槿祟惖幕顒?dòng)為微小噬菌體提供了更豐富的宿主[34]。
NCLDV是一組多樣的真核病毒,感染廣泛的真核生物,特別是原生生物和藻類,最大的巨型病毒在顆粒和基因組大小上都超過(guò)了許多細(xì)菌和古菌[35]。相關(guān)土壤病毒研究挖掘到了高度多樣的巨型病毒,并發(fā)現(xiàn)許多NCLDV能夠編碼糖酵解和三羧酸循環(huán)的成分,證明NCLDV是全球生物地球化學(xué)循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)因素[36]。本研究未調(diào)查其他微生物分類群,而且并未有相關(guān)研究對(duì)土壤特征及生態(tài)管理實(shí)踐如何影響NCLDV組成進(jìn)行探究,因此無(wú)法充分討論不同更新方式下NCLDV相對(duì)豐度的差異,但可以肯定的是NCLDV廣泛分布在不同環(huán)境土壤中[36-37]。
噬菌體調(diào)控細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)典的Top-down調(diào)控。近來(lái)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)森林土壤病毒主要對(duì)R-策略細(xì)菌進(jìn)行靶向裂解,釋放出細(xì)胞內(nèi)高生物利用度的溶解性有機(jī)物,并促進(jìn)其他異養(yǎng)微生物的增長(zhǎng)[38]。本研究匹配到的主要病毒宿主包括放線菌門(mén)、變形菌門(mén)和厚壁菌門(mén),其均為R-生存對(duì)策[39],因此亞熱帶森林中土壤病毒很可能通過(guò)裂解宿主釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)而影響碳循環(huán)。不同更新方式下亞熱帶森林土壤病毒宿主在門(mén)和屬水平均具有差距,但是其宿主都包括相當(dāng)比例的致病菌如戈登氏菌、紅球菌、分枝桿菌等,因此土壤病毒還可能影響不同更新方式土壤的抑病能力。
亞熱帶森林是北半球相當(dāng)大的碳匯[40],在森林生態(tài)系統(tǒng)中,很大一部分有機(jī)碳以復(fù)合碳水化合物的形式儲(chǔ)存在土壤、動(dòng)植物殘?bào)w中,極難降解[41]。因此,土壤和生物碎片中復(fù)雜多糖的生物分解對(duì)于亞熱帶森林物質(zhì)循環(huán)至關(guān)重要。土壤病毒能夠介導(dǎo)基因的水平轉(zhuǎn)移,這些輔助代謝基因(Auxiliary metabolic genes,AMGs)可以在病毒侵染宿主后在宿主胞內(nèi)表達(dá),改變宿主代謝過(guò)程,從而參與元素的生物地球化學(xué)循環(huán)[42]??茖W(xué)家在消融的永久凍土[43]、紅樹(shù)林土壤[17]、農(nóng)田土壤[44]的病毒組研究中均發(fā)現(xiàn)土壤病毒攜帶大量碳循環(huán)相關(guān)的AMGs,本研究同樣發(fā)現(xiàn)了土壤病毒攜帶編碼CAZymes的碳循環(huán)基因,且在不同森林更新方式下差異顯著。天然更新林與單一人工林相比,具有更高的微生物生物量[45]、凋落物質(zhì)量[46]以及更豐富的植被多樣性[47]和根系分泌物[48],因此土壤中有機(jī)碳組成更為復(fù)雜。與碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝相關(guān)的基因在發(fā)育成熟的原生林以及天然更新次生林土壤病毒中更為富集,這表明了微生物群落隨環(huán)境變化的功能適應(yīng),以利用由于植物和其他微生物群落的生長(zhǎng)而在土壤中積累的不同C源,如纖維素、半纖維素、淀粉、果膠和幾丁質(zhì)等。因此,在維持微生物C循環(huán)相關(guān)功能方面天然更新方式更具優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)宏病毒組學(xué)方法分析了不同更新方式下閩西亞熱帶森林土壤病毒的群落組成和功能特征。研究表明不同管理方式下土壤病毒群落組成存在顯著差異,原生林和天然更新次生林主要以長(zhǎng)尾噬菌體科、肌尾噬菌體科為主,而杉木人工林中最優(yōu)勢(shì)的病毒科則為微小噬菌體科。3種土壤中均發(fā)現(xiàn)了NCLDV,其中在天然更新次生林中占比最大。病毒宿主檢索的結(jié)果表明3種土壤中病毒宿主具有差異,變形菌門(mén)為杉木人工林和天然更新次生林中最主要的病毒宿主,而原生林則為放線菌門(mén),但不同更新方式土壤病毒宿主都包括相當(dāng)一部分人和動(dòng)物的致病菌。這些結(jié)果說(shuō)明土壤病毒群落組成可能受到與不同森林更新方式相關(guān)的人類和動(dòng)物活動(dòng)的影響。
在不同更新方式森林土壤病毒中鑒定的CAZymes基因豐度具有顯著差異,其中杉木人工林中僅發(fā)現(xiàn)4個(gè)CAZymes基因,這揭示了土壤病毒具有通過(guò)基因的水平轉(zhuǎn)移影響森林碳循環(huán)的潛力以及天然更新方式在恢復(fù)微生物C功能多樣性方面更具優(yōu)勢(shì)。未來(lái)研究者還需要在天然更新林和人工林不同演替梯度上采集更豐富的樣品,進(jìn)一步從土壤病毒的角度來(lái)剖析不同森林管理方式的優(yōu)劣勢(shì)。