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互作强度决定群落的生物多样性和稳定性

来源:admin    发布时间:2020-08-11   阅读数:136

作者:李婧璇,南京农业大学博士在读,主要研究合成微生物群落。

互作强度决定群落的生物多样性和稳定性期刊图


导读

理论和实验表明,物种相互作用、生物多样性与生态系统稳定性之间存在关联,但是导致这些关联的原因尚不清楚。本文通过实验室微生物生态系统研究表明,可利用营养的浓度决定了细菌之间相互作用的强度。高浓度的营养使细菌能够剧烈地改变化学环境,造成物种间存在更多的负相互作用。较强的相互作用将许多物种排除在群落之外,导致生物多样性和群落稳定性的降低。这些结果阐明了微生物生态系统中物种两两互作影响群落结构的潜在机制,为工程改造群落性质提供了理论支持。 


主要结论

1、环境养分浓度影响了细菌共生

pH能够影响微生物,但也受微生物的影响,是衡量细菌如何改变所处环境的重要指标。本研究在低营养和高营养浓度下分别对92株土壤微生物进行培养,发现低营养浓度条件下,细菌会轻微增加环境pH,而在高营养浓度条件下,环境pH变化剧烈并且有升高有降低(图1ab)。

接着,为了研究营养浓度对细菌互作的影响,分别在低和高营养浓度下培养了8种不同的土壤细菌,获取它们的发酵液后重新培养其他细菌。低营养发酵液重新培养的细菌丰度较低但可以通过向发酵液中添加新鲜营养来促进增殖,这表明该抑制作用主要是由资源竞争驱动的。相反,高营养浓度发酵液在许多情况下完全抑制细菌的生长,并且不能通过添加新鲜营养来促进增殖(图1c)。因此,这些负相互作用主要是由代谢物改变环境所驱动,而并非是对资源的竞争导致。

下面,为了确定这些环境变化对细菌共存的影响,对在低和高营养浓度下对8株细菌的成对组合进行共培养。5天后计数发现:在低营养浓度下,两者能很好地共存;而在高营养浓度下共存关系瓦解,甚至在许多情况下二者由于生态自杀而灭绝。此外,较高浓度的pH缓冲液能够防止在高营养浓度下共存的瓦解,表明pH是该系统中物种相互作用的主要驱动因素(图1d)。

图1 高营养浓度导致微生物间存在更多的负相互作用

图1 高营养浓度导致微生物间存在更多的负相互作用


2、环境养分浓度影响了自然群落稳定

接下来,为了进一步探究营养浓度对更复杂的群落的影响,文章用低浓度和高浓度的资源培养了堆肥、室内花盆和后院的土壤,然后连续取样并进行16S rRNA测序。结果表明在低营养浓度下土壤细菌群落组成更为多样且变化平稳;而高浓度培养下则恰恰相反(图2)。

图2 营养浓度影响了土壤微生物组的组成和动态变化

图2 营养浓度影响了土壤微生物组的组成和动态变化


3、互作强度影响了群落多样性

下面,为了研究微生物互作对群落多样性的影响,文章构建了一个数学模型,假定单个微生物的生长受环境因子的影响,当环境因子在合适的范围中,微生物就对数生长,否则就死亡,而环境因子同时受互作微生物的共同影响。

于是,用该模型模拟了40株细菌的两两互作,预测的结果与试验观察到的现象一致,对环境的改变越多(cp),共生就越少,导致了生物多样性的降低(图3)。此外,试验还发现高资源条件下添加pH缓冲剂,减少对环境的影响后也会减少生物多样性的损失,这说明调节环境pH比营养资源的限制更深入地影响了群落多样性。这意味着高资源环境导致细菌群落高度地改变了环境,产生了更多的负相互作用,从而降低了生物多样性。

图3 相互作用强度的增加导致生物多样性的丧失

图3 相互作用强度的增加导致生物多样性的丧失


4、互作强度影响群落稳定性

为了了解相互作用强度如何影响微生物群落的稳定性,文章使用上述模型进行了模拟,以获得弱相互作用和强相互作用下随时间变化的总细菌密度(?ni)。预测与试验结果一致,都表明在更强的相互作用下,总细菌密度的波动会更大(图4a)。除了细菌总密度的波动增加以外,该模型还预测了环境参数在环境变化更强烈、营养物浓度更高时的波动增加(图4b,上)。试验将pH作为环境参数也发现在营养浓度高的情况下,pH值波动剧烈,而在营养浓度低的情况下,pH值在一段时间内保持相当稳定(图4b,下)。最后,研究了细菌组成的变化,该模型预测随着时间的推移,在较高的营养浓度下细菌组成的波动更剧烈,这与试验观察到的结果一致(图4c)。因此得到结论:造成更多负相互作用的高营养浓度会导致总生物量、环境和物种组成的稳定性丧失。

图4 相互作用越强,总生物量、环境和物种组成的稳定性越低

图4 相互作用越强,总生物量、环境和物种组成的稳定性越低


总结

本文通过营养浓度调节物种相互作用强度,阐明了物种相互作用强度与群落生物多样性和稳定性之间的关联。高营养资源引发更多负相互作用,导致群落多样性降低。这一结果揭示了土壤中的“富营养化”现象。此外,本文结果还表明群落的稳定性因互作强度的增加而降低,与微生物系统的初始生物多样性无关。


论文信息

原名:Strength ofspecies interactions determines biodiversity and stability in microbialcommunities

译名:物种相互作用强度决定微生物群落的生物多样性和稳定性

期刊:Nature Ecology & Evolution

IF2019:12.541

发表时间:2020.02

通讯作者:Jeff Gore

通讯作者单位:麻省理工大学



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