Title：Agricultural soil microbiomes are structurally and functionally more resistant to warming than adjacent natural ecosystems

摘  要

农业土壤微生物群系经常受到集约化管理的干扰，因此可能比未受干扰的天然土壤中的微生物群系更能抵御气候变暖。在这里，我们通过在100对农业-天然位点进行大陆规模的变暖微宇宙实验，并结合全球荟萃分析和三个微生物群系操作实验（微生物悬浮液、交叉接种和合成群落）来验证这一点。荟萃分析一致表明，农业土壤对变暖的土壤多功能性具有更高的抵抗力。微生物群落组成的抵抗力是功能抵抗力最强的预测因素，并在接种农业与天然微生物悬浮液的人工土壤中得到证实。将农业生态系统的土壤微生物群系引入以前未受干扰的天然土壤中，增强了对变暖的功能抵抗力。宏基因组分析表明，微生物生活史策略在调节土壤微生物群落对变暖的抵抗力方面发挥着关键作用，由耐胁迫策略主导的群落具有显著更强的抵抗力。我们的工作突显了微生物群系工程在气候变化下增强生态系统功能的潜力。

文章结论

我们的研究提出了利用土壤微生物组工程增强土壤多功能性对气候变暖的抵抗力的机械步骤。基于包括微生物悬浮、微生物交叉接种和 SynCom 在内的三个独立的微观实验，我们证明土壤微生物组是土壤多功能抵抗变暖的关键，并且这种抵抗力可以转移，从而增强以前未遭受过强烈环境压力的自然生态系统的适应能力。此外，我们发现微生物生活史策略在调节土壤微生物群落对变暖的抵抗力方面发挥着至关重要的作用，较高的胁迫耐受性有助于土壤微生物组具有更强的抵抗力。我们的研究结果为农业土地利用变化如何影响生态群落和土壤功能的响应提供了新的见解，强调了土壤微生物组作为土壤功能抵抗全球变化的主要驱动因素的作用。  值得注意的是，我们承认基于实验室的微观世界可能过于简单化复杂的生态相互作用，从而限制了将研究结果直接外推到现实世界的生态系统。从这个意义上说，孵化实验应被视为捕捉基线机械原理，而不是复制自然系统的全部复杂性。例如，我们的微观世界没有完全捕捉植物与微生物的相互作用、土壤结构动态、长期生态系统层面的过程动态或农业和自然生态系统固有的其他生物或非生物因素。此外，由于土壤是从跨越广泛气候梯度的地点收集的，因此应用统一的升温温度（25°C）可能并不代表对源自以下地区的土壤进行有意义的升温处理：气候温暖。尽管我们使用标准化升温温度代表了考虑不同地点不同环境条件的必要妥协，但这种方法可能无法准确反映特定地点的热敏感性或微生物群落的非线性温度响应。此外，我们的微观世界孵化中使用的短期和突然的温度升高并不能模拟全球气候变暖的渐进和长期轨迹，因此可能低估了在较长时间尺度上展开的遗留影响、适应过程和缓慢的微生物性状转变。最后，我们的荟萃分析中包含的大部分数据来自东亚（主要是中国）和欧洲，这可能限制了我们研究结果的普遍性。  此外，虽然我们的结果表明，预先暴露于变暖的微生物群落可能会增强天然土壤的抵抗力，但这种可能性仍然有希望，但仍需要验证，特别是因为这里推断的机制是在高度简化的实验室条件下产生的。例如，尽管农业微生物组在我们的短期移植实验中提高了湿地土壤的抵抗力，但一旦这些引入的类群在更复杂和动态的天然土壤网络中经历重组、生态选择和环境依赖性功能可塑性，这种抵抗力的增强是否会持续存在仍然不确定。未来的研究应优先考虑跨多个地区的原位实验，以更好地解释这些因素并验证我们研究结果的生态相关性。特别是，在更现实的野外或半受控环境条件下进行移植实验是严格测试此类微生物转移是否能够增强自然气候变化下生态系统抵抗力的关键下一步。虽然微生物接种剂在农业和自然生态系统之间的转移前景广阔，但这些策略也存在潜在风险，包括对本地生物多样性和生态系统功能的威胁。例如，来自受干扰系统的土壤微生物输入有时可能会增加不良过程，例如温室气体排放、病原体增殖或资源枯竭。因此，在实施整个微生物群落的大规模转移之前，必须进行全面的风险评估。尽管存在这些局限性，我们的研究为农业微生物组工程增强天然土壤对变暖的功能抵抗力的潜力提供了宝贵的见解。

1）YAS 如何计算区分

根据"SynCom construction and inoculation experiments"内容，合成菌群（SynCom）的培养与处理流程如下：

1. 菌株筛选

从农业土壤中分离细菌，有三种培养基（LB、Agar Medium S、Gauze No.1）。

- 基于菌落大小、颜色、形态挑选单菌落，共获245株纯培养菌。

- 通过16S rRNA基因测序鉴定，归类于变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门。

2. 关键菌株确定

- 与前期鉴定的关键种系型比对（同源性>97%，E值<1×10⁻⁵），筛选出85株候选菌。

- 剔除冗余及生长缓慢菌株，最终保留20株用于构建SynCom。

3. 接种体制备

- 每株菌重悬于无菌水，调节OD≈0.5。

- 混合各菌液制成SynCom接种液；对照为等量灭活SynCom。

4. 接种与培养

- 将接种液加入土壤，设立40个微宇宙（SynCom/灭活×两种土壤×两种处理×5重复）。

- 培养及功能测定流程与大规模土壤培养一致。

5. 丰度检测

- 培养后提取DNA，进行近全长16S rRNA PacBio测序。

- 数据经SMRT Link处理，UPARSE聚类为OTU（97%相似度），SILVA数据库注释，估算SynCom各成员丰度。

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2）合成菌群培养条件和处理

Y-A-S策略实现的计算流程：有其他的内容参考附表1

1. 数据整理：使用 `humann3_regroup_table` 脚本，按KEGG直系同源和eggNOG功能类别组织注释结果。

2. 基因识别：基于CAZy数据库鉴定碳水化合物利用相关基因。

3. 丰度标准化：功能基因相对丰度统一标准化为每百万转录本数（TPM）。

4. 策略分类：参考Malik等研究，依据KEGG、CAZy、eggNOG数据库，将基因归类为Y策略、A策略、S策略，分别代表微生物三大生活史策略。

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