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在土壤细菌研究领域，生态属性及其组成分布的驱动因素尚不明确。为解决此问题，研究人员分析 622 个土壤样本的细菌群落和环境数据。结果发现细菌多样性和组成因生态型和生态系统而异，确定性和随机过程对不同生态型影响不同。该研究揭示了细菌生物地理学机制，意义重大。
在地球这个大家庭里，土壤就像一个神秘的 “地下王国”，其中的土壤细菌虽小，却在生态系统中扮演着至关重要的角色，参与氮和碳循环等关键生态过程，对维持生态系统的弹性和抵抗力功不可没。就像宏观生物有自己的分布规律一样，土壤细菌也存在生物地理模式。然而，目前仍有许多谜团尚未解开。比如，不同生态型（像丰富类群、稀有类群、栖息地泛化种和特化种）的土壤细菌在不同生态系统中的多样性和组成受哪些因素调控？在群落装配过程中，确定性过程（如环境选择）和随机过程（如扩散限制、生态漂变）各自发挥着怎样的作用？这些问题就像一把把锁，锁住了人们对土壤细菌生态的深入理解，也阻碍了对生态系统的有效管理。
为了打开这些 “锁”，来自弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）的研究人员踏上了探索之旅。他们精心收集了美国 6 个主要陆地生态系统中的 622 个土壤样本，这些样本涵盖了森林 / 林地、灌丛、湿地、草本、草原 / 稀树草原和荒地等生态系统。通过对这些样本的细菌群落数据和 34 个环境变量（包括地理位置、土壤性质、气候和周边土地利用情况）进行详细分析，研究人员获得了一系列重要发现，并将成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，对土壤样本进行 16S rRNA 基因扩增子测序，获取细菌群落信息；接着，运用多种生物信息学工具对原始测序数据进行处理，如使用 QIIME2 进行去噪、标准化和聚类等操作；同时，利用各种统计分析方法，像 Spearman 秩相关分析、变异分解分析（VPA）等，探究环境因素与细菌多样性的关系；此外，还构建了细菌共现网络，分析细菌间的相互作用；最后，采用基于 β - 最近分类单元指数（βNTI）和修改的 Raup–Crick（RC）指标的两步框架，量化确定性和随机过程在群落装配中的作用。
下面来看具体的研究结果：
- 细菌群落的多样性和组成：研究分析了 618 个通过质量控制的土壤样本，共鉴定出 3158 个操作分类单元（OTUs），代表 31 个细菌门。计算多种 α - 多样性和 β - 多样性指标后发现，美国各地土壤细菌多样性较高，且群落组成差异明显。不同生态系统中，森林 / 林地生态系统细菌 α - 多样性最高，灌丛生态系统最低。同时，不同生态型的细菌在各生态系统中的分布也有所不同。例如，丰富类群和泛化种在草本、草原 / 稀树草原和森林 / 林地生态系统中较多，而灌丛生态系统中特化种最多，但丰富类群和泛化种最少。
- 环境因素对土壤细菌多样性的影响：通过 Spearman 秩相关分析发现，环境因素对土壤细菌 α - 多样性有显著影响。对所有类群而言，土壤 pH、钙等 11 个变量与 α - 多样性呈正相关，铝、铁等 7 个变量呈负相关。分生态型来看，环境因素对丰富类群和泛化种 α - 多样性的影响更为显著。VPA 分析表明，土壤性质是影响土壤细菌 α - 多样性的最重要环境因素，在大多数生态系统中均是如此。此外，除稀有类群和特化种外，细菌群落组成的 β - 多样性与地理距离呈正相关，即距离越远，群落组成差异越大。
- 细菌共现网络：构建共现网络并分析节点度、中介中心性和接近中心性等指标后发现，Thermi 被确定为土壤细菌群落的 “枢纽” 类群。而且，稀有类群在群落中的生态作用比丰富类群更重要，其节点度、中介中心性和接近中心性均显著高于丰富类群。不同生态系统的细菌共现网络也存在差异，灌丛生态系统的网络连接性最低。
- 生态过程对细菌群落装配的影响：研究采用两步框架量化生态过程发现，确定性过程对美国土壤细菌群落装配的贡献约为 60%，其中均匀选择是主要的确定性过程；随机过程贡献约 40%，扩散限制在随机过程中作用相对突出。不同生态型的群落装配受不同过程主导，丰富类群和泛化种主要受确定性过程影响，而稀有类群和特化种则主要受随机过程影响。不同生态系统中，森林 / 林地、荒地和湿地生态系统的确定性和随机过程重要性相近，而灌丛、草本和草原 / 稀树草原生态系统中，确定性过程对细菌群落装配的影响更大。
研究结论和讨论部分指出，美国陆地生态系统中的土壤细菌多样性高，Actinobacteria 和 Proteobacteria 在土壤环境中占主导地位，Deinococcus - Thermus 作为网络 “枢纽” 发挥着关键生态作用。确定性和随机过程共同影响细菌群落装配，但在不同生态型和生态系统中作用不同。土壤性质和周边土地利用模式是影响细菌多样性的重要因素，土壤 pH、钙和铝可能是预测土壤细菌多样性的通用指标。值得注意的是，灌丛生态系统的细菌群落对环境干扰较为敏感，面临着多样性丧失和生态退化的风险。
这项研究意义非凡，它深入揭示了土壤细菌生物地理学的生态机制，为理解土壤细菌在不同生态系统中的分布和功能提供了重要依据。研究结果强调了保护稀有生物群落和灌丛生态系统的重要性，为生态系统管理和保护策略的制定提供了科学指导，有助于提升生态系统服务的可持续性，让我们在保护地球生态环境的道路上迈出了坚实的一步。
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