Vi sinh vật đất là gì? Các công bố khoa học về Vi sinh vật đất

Sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ giải trình đã thay đổi cảnh quan thực nghiệm của sinh thái vi sinh vật. Trong 10 năm qua, lĩnh vực này đã chuyển từ việc giải trình hàng trăm đoạn gen 16S rRNA mỗi nghiên cứu thông qua thư viện nhân bản sang việc giải trình hàng triệu đoạn mỗi nghiên cứu bằng các công nghệ giải trình thế hệ tiếp theo từ 454 và Illumina. Khi những công nghệ này tiến bộ, việc đánh giá sức mạnh, điểm yếu và độ phù hợp tổng thể của các nền tảng này để thẩm vấn các cộng đồng vi sinh vật là điều rất quan trọng. Tại đây, chúng tôi trình bày một phương pháp cải tiến để giải trình các vùng biến đổi trong gen 16S rRNA bằng nền tảng MiSeq của Illumina, nền tảng hiện có thể tạo ra các đoạn đọc 250 nucleotide cặp. Chúng tôi đã đánh giá ba vùng chồng lấp của gen 16S rRNA có độ dài khác nhau (tức là, V34, V4 và V45) bằng cách giải trình lại một cộng đồng giả mẫu và các mẫu tự nhiên từ phân người, phân chuột và đất. Bằng cách điều chỉnh nồng độ các amplicon gen 16S rRNA được áp dụng vào ô dòng và sử dụng phương pháp dựa trên điểm chất lượng để sửa chữa những chênh lệch giữa các đoạn đọc được sử dụng để xây dựng contig, chúng tôi đã có thể giảm tỷ lệ lỗi tới hai bậc độ lớn. Cuối cùng, chúng tôi đã xử lý lại các mẫu từ một nghiên cứu trước đây để chứng minh rằng một số lượng lớn mẫu có thể được đa tuyến và giải trình cùng một lúc với shotgun metagenomes. Các phân tích này cho thấy rằng phương pháp của chúng tôi có thể cung cấp dữ liệu ít nhất cũng tốt như dữ liệu được tạo ra bởi nền tảng 454 trong khi cung cấp độ phủ giải trình cao hơn đáng kể với chỉ một phần chi phí.

Vi sinh vật là đại đa số không thể nhìn thấy trong đất và cấu thành một phần lớn của sự đa dạng di truyền của sự sống. Mặc dù sự phong phú của chúng, tác động của vi sinh vật trong đất đối với các quá trình sinh thái vẫn chưa được hiểu rõ. Ở đây, chúng tôi khám phá các vai trò khác nhau mà vi sinh vật trong đất đóng trong các hệ sinh thái trên cạn, với sự nhấn mạnh đặc biệt vào sự đóng góp của chúng đối với năng suất và sự đa dạng của thực vật. Vi sinh vật trong đất là những điều chỉnh viên quan trọng của năng suất thực vật, đặc biệt là ở các hệ sinh thái nghèo dinh dưỡng, nơi mà các symbion của thực vật chịu trách nhiệm cho việc tiếp nhận các chất dinh dưỡng hạn chế. Nấm mycorrhiza và vi khuẩn cố định nitơ chịu trách nhiệm cho khoảng c.5–20% (đồng cỏ và savanna) đến 80% (rừng ôn đới và boreal) của toàn bộ nitơ, và lên đến 75% photpho, mà thực vật thu nhận hàng năm. Vi sinh vật sống tự do cũng điều chỉnh mạnh mẽ năng suất thực vật, thông qua quá trình khoáng hóa và sự cạnh tranh về chất dinh dưỡng mà hỗ trợ năng suất thực vật. Vi sinh vật trong đất, bao gồm cả các tác nhân gây bệnh vi sinh, cũng là những điều chỉnh viên quan trọng của động lực cộng đồng thực vật và sự đa dạng thực vật, quyết định độ phong phú của thực vật và, trong một số trường hợp, tạo điều kiện cho việc xâm nhập của các loài thực vật ngoại lai. Các ước tính bảo thủ cho thấy khoảng c.20.000 loài thực vật hoàn toàn phụ thuộc vào các symbion vi sinh vật để phát triển và sinh tồn, chỉ ra tầm quan trọng của vi sinh vật trong đất như là những điều chỉnh viên của sự phong phú các loài thực vật trên Trái đất. Tổng thể, bài đánh giá này cho thấy vi sinh vật trong đất cần được xem xét như là những yếu tố thúc đẩy quan trọng của sự đa dạng và năng suất thực vật trong các hệ sinh thái trên cạn.

Đất được thu thập qua một thí nghiệm đã bón vôi lâu dài (pH 4.0–8.3), trong đó sự biến đổi của các yếu tố khác ngoài pH đã được giảm thiểu, được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng trực tiếp của pH lên sự phong phú và thành phần của hai nhóm chính trong vi sinh vật đất: nấm và vi khuẩn. Chúng tôi giả thuyết rằng các cộng đồng vi khuẩn sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi pH hơn là các cộng đồng nấm. Để xác định tỷ lệ phong phú tương đối của vi khuẩn và nấm, chúng tôi đã sử dụng PCR định lượng (qPCR), và để phân tích thành phần và đa dạng của các cộng đồng vi khuẩn và nấm, chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật tuần tự song song có mã vạch. Cả tỷ lệ phong phú tương đối và đa dạng của vi khuẩn đều có quan hệ dương với pH, trong đó tỷ lệ phong phú gần như tăng gấp đôi giữa pH 4 và 8. Trái lại, tỷ lệ phong phú tương đối của nấm không bị ảnh hưởng bởi pH và độ đa dạng của nấm chỉ có liên hệ yếu với pH. Thành phần của các cộng đồng vi khuẩn được xác định chặt chẽ bởi pH của đất; có sự biến đổi thành phần cộng đồng vi khuẩn dọc theo khoảng cách 180 mét của thí nghiệm này cũng như so với đất thu thập từ nhiều biôma khác nhau ở Bắc và Nam Mỹ, nhấn mạnh sự chi phối của pH trong việc cấu trúc các cộng đồng vi khuẩn. Ảnh hưởng trực tiếp rõ ràng của pH lên thành phần của cộng đồng vi khuẩn có lẽ do phạm vi pH hẹp cho sự phát triển tối ưu của vi khuẩn. Thành phần cộng đồng nấm ít bị ảnh hưởng bởi pH hơn, điều này phù hợp với các nghiên cứu văn hóa thuần túy, cho thấy nấm thường có các phạm vi pH rộng hơn cho sự phát triển tối ưu.

Khám phá các tập dữ liệu môi trường lớn được tạo ra bởi các công nghệ giải trình tự DNA nhanh đòi hỏi những phương pháp phân tích mới để vượt ra ngoài các mô tả cơ bản về thành phần và đa dạng của các cộng đồng vi sinh vật tự nhiên. Để điều tra các tương tác tiềm năng giữa các taxa vi sinh vật, phân tích mạng của các mẫu đồng tồn tại của taxa có ý nghĩa có thể giúp làm sáng tỏ cấu trúc của các cộng đồng vi sinh vật phức tạp qua các gradient không gian hoặc thời gian. Ở đây, chúng tôi đã tính toán các mối liên kết giữa các taxa vi sinh vật và áp dụng các phương pháp phân tích mạng cho một tập dữ liệu giải trình tự pyrosequencing theo mã vạch gene 16S rRNA chứa hơn 160,000 chuỗi vi khuẩn và archae từ 151 mẫu đất thuộc một loạt các loại hệ sinh thái. Chúng tôi đã mô tả hình thái của mạng lưới kết quả và định nghĩa các loại đơn vị phân loại hoạt động dựa trên sự phong phú và sự chiếm đóng (tức là, những chuyên gia chung về môi trường và những chuyên gia đặc thù về môi trường). Các mẫu đồng tồn tại đã được tiết lộ dễ dàng, bao gồm sự liên kết không ngẫu nhiên tổng quát, các chiến lược lịch sử sống phổ biến ở các cấp thuế học rộng và các mối quan hệ bất ngờ giữa các thành viên của cộng đồng. Tổng thể, chúng tôi đã chứng minh tiềm năng của việc khám phá các tương quan giữa các taxa để có được một hiểu biết toàn diện hơn về cấu trúc của cộng đồng vi sinh vật và các quy tắc sinh thái hướng dẫn sự hình thành cộng đồng.

Các nguyên tố nặng, tùy thuộc vào trạng thái oxi hóa của chúng, có thể phản ứng mạnh và do đó, độc hại cho hầu hết các sinh vật. Chúng được sản xuất từ một loạt các nguồn gốc nhân tạo đang mở rộng, cho thấy vai trò ngày càng quan trọng của dạng ô nhiễm này. Tác động độc hại của các nguyên tố nặng dường như liên quan đến việc sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS) và tình trạng redox không cân bằng của tế bào. Tảo phản ứng với các nguyên tố nặng thông qua việc kích thích một số chất chống oxy hóa khác nhau, bao gồm các enzym đa dạng như superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase và ascorbate peroxidase, cũng như tổng hợp các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp như carotenoids và glutathione. Ở các mức độ ô nhiễm kim loại cao, hoặc cấp tính, tế bào tảo bị tổn thương do mức độ ROS vượt qua khả năng ứng phó của tế bào. Ở các mức độ thấp hơn, hoặc mãn tính, tảo tích lũy các nguyên tố nặng và có thể truyền chúng sang các sinh vật ở các bậc thức ăn khác như động vật nhuyễn thể, giáp xác và cá. Chúng tôi đánh giá ở đây các bằng chứng liên kết giữa sự tích lũy kim loại, độc tính tế bào và sự tạo ra ROS trong các môi trường thủy sinh.

Độ nhạy của các phép đo carbon hữu cơ trong đất (Corg) và carbon vi sinh vật (Cmic), cũng như tỷ lệ Cm~,/Co,, trong việc phản ánh khí hậu, thảm thực vật, lịch sử trồng trọt và quản lý đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng nhiều mẫu đất bề mặt ở New Zealand. Cmic thường chiếm từ 1-4% Corg, trong đó tỷ lệ này thường cao hơn dưới đồng cỏ so với các loại đất tương ứng dưới rừng bản địa, rừng ngoại lai hay trồng trọt. Tuy nhiên, các giá trị tuyệt đối giữa các loại đất khác nhau rất rõ ràng và bị ảnh hưởng lớn bởi kết cấu, khoáng vật và hàm lượng Corg. Cmic phục hồi nhanh hơn Corg khi quay lại đồng cỏ sau khi trồng trọt. Có một hàm lượng Corg cao hơn trong những loại đất từ những khu vực có lượng mưa cao hơn, nhưng tỷ lệ lượng mưa-bốc hơi được đề xuất bởi Insam et al. (Soil Biol. Biochem. 1989, 21, 211-21) để dự đoán mối quan hệ giữa Cmic và Corg đã đánh giá quá thấp hàm lượng Cmic của đất New Zealand và có quá nhiều sự phân tán trong dữ liệu để xác định một công thức hồi quy mới. Chỉ số Cmic và tỷ lệ Cmic/Cor, là các biện pháp hữu ích để theo dõi chất hữu cơ trong đất và cả hai cung cấp một chỉ số nhạy cảm hơn so với COrg đo riêng lẻ. Tuy nhiên, dưới các điều kiện khí hậu và sử dụng đất điển hình tại New Zealand, các giá trị này dường như không dễ dàng chuyển nhượng giữa các loại đất. Để xác định xem một loại đất đã đạt được trạng thái cân bằng về chất hữu cơ hay chưa, sẽ cần thiết phải thiết lập các giá trị tham chiếu mà một mẫu đất được thử nghiệm có thể được so sánh.

Mặc dù đã nhận thức được tầm quan trọng của vi khuẩn đất đối với chức năng của hệ sinh thái trên cạn, nhưng vẫn còn ít sự đồng thuận về các yếu tố điều chỉnh đa dạng sinh học dưới lòng đất. Ở đây, chúng tôi trình bày một đánh giá không gian đa quy mô về hồ sơ cộng đồng vi khuẩn đất trên toàn Vương quốc Anh (> 1000 lõi đất) và cho thấy bản đồ phân bố vi khuẩn trên quy mô cảnh quan đầu tiên ở cấp quốc gia. Độ đa dạng vi khuẩn và sự khác biệt cộng đồng, được đánh giá bằng phương pháp polime hóa chiều dài đoạn phân mảnh hạn chế, được liên kết chặt chẽ nhất với độ pH của đất, cung cấp một xác nhận quy mô lớn về vai trò của pH trong việc cấu trúc các ngành vi khuẩn. Tuy nhiên, trong khi đa dạng α có mối liên quan tích cực với pH, thì điều ngược lại với đa dạng β (biến thiên giữa các mẫu trong đa dạng α). Đa dạng β được tìm thấy là lớn nhất trong các loại đất axit, tương ứng với sự không đồng nhất môi trường lớn hơn. Phân tích các thư viện bản sao cho thấy các ảnh hưởng của pH chủ yếu thể hiện ở cấp độ các nhóm phân loại vi khuẩn rộng, với các loại đất axit được chi phối bởi một vài ngành (đặc biệt là nhóm 1 Acidobacteria và Alphaproteobacteria). Chúng tôi cũng ghi nhận sự tương quan đáng kể giữa các cộng đồng vi khuẩn và hầu hết các biến số môi trường khác được đo (hóa học đất, đặc điểm trên mặt đất và các biến khí hậu), cùng với sự tương quan không gian đáng kể ở khoảng cách gần. Cụ thể, các cộng đồng vi khuẩn và thực vật có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, cho thấy không có bằng chứng mạnh mẽ rằng vi khuẩn đất bị thúc đẩy bởi các quy trình sinh thái khác với những quy định cho các sinh vật cao hơn. Chúng tôi kết luận rằng các khảo sát quy mô rộng hữu ích trong việc xác định các sinh quyển đất rõ rệt bao gồm các cộng đồng lặp lại của các ngành chiếm ưu thế. Tất cả những kết quả này cung cấp một khuôn khổ sinh thái cơ sở để theo đuổi nghiên cứu trong tương lai về chức năng vi sinh vật đất, cũng như các đánh giá dựa trên sinh quyển rõ ràng hơn về các yếu tố điều khiển sinh thái địa phương của đa dạng sinh học vi khuẩn.

Kháng sinh được sử dụng trong sản xuất chăn nuôi gia súc để điều trị bệnh và ở mức độ dưới trị liệu nhằm thúc đẩy tăng trưởng và cải thiện hiệu suất thức ăn. Ước tính khoảng 75% kháng sinh không được hấp thụ bởi động vật và bị thải ra ngoài qua chất thải. Việc chọn lọc kháng kháng sinh xảy ra giữa các vi sinh vật đường tiêu hóa, mà cũng được bài xuất trong phân và được lưu trữ trong hệ thống chứa chất thải. Việc áp dụng chất thải động vật trên đất là một phương pháp thải bỏ phổ biến được sử dụng ở Hoa Kỳ và cũng là một phương tiện đưa cả kháng sinh và các yếu tố di truyền kháng thuốc vào môi trường. Những lo ngại về việc chọn lọc gen kháng vi sinh vật và sự truyền bá của các gen kháng thuốc đã thúc đẩy sự quan tâm về nồng độ và hoạt tính sinh học của dư lượng thuốc và các sản phẩm phân hủy của chúng, cùng với số phận và vận chuyển của chúng. Vi khuẩn phân có thể sống sót từ vài tuần đến vài tháng trong môi trường, tùy thuộc vào loài và nhiệt độ, tuy nhiên, các yếu tố di truyền có thể tồn tại bất chấp sự sống còn của tế bào. Phân tích phả hệ chỉ ra rằng các gen kháng kháng sinh đã tiến hóa, mặc dù một số gen đã tồn tại trong vi khuẩn trước thời kỳ kháng sinh hiện đại. Cần có các phép đo định lượng về dư lượng thuốc và mức độ gen kháng, bên cạnh việc hiểu các cơ chế môi trường của chọn lọc di truyền, tiếp nhận gen, và động lực không gian - thời gian của các gen kháng này cùng với các khoang vi khuẩn của chúng. Bài báo tổng quan này thảo luận về việc tích lũy các phát hiện liên quan đến khía cạnh số phận, vận chuyển, và sự tồn tại của kháng sinh và gen kháng kháng sinh trong môi trường tự nhiên, với sự nhấn mạnh vào các cơ chế liên quan đến môi trường đất sau khi áp dụng các chất thải động vật.

Các yếu tố điều khiển sự cấu thành và đa dạng cộng đồng trên mặt đất đã được nghiên cứu một cách sâu rộng, nhưng hiểu biết của chúng ta về các yếu tố tác động đến cộng đồng vi sinh vật dưới đất vẫn còn hạn chế, mặc dù chúng có vai trò quan trọng đối với chức năng hệ sinh thái. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã áp dụng các mô hình thống kê để giải thích sự biến đổi quy mô cảnh quan trong cấu trúc cộng đồng vi sinh vật trong đất bằng cách sử dụng dữ liệu từ 180 địa điểm trải dài trên nhiều loại đồng cỏ, các điều kiện đất đai và khí hậu khác nhau ở Anh. Chúng tôi phát hiện rằng sự biến đổi trong các cộng đồng vi sinh vật trong đất được giải thích bởi các yếu tố aboit như khí hậu, pH và các tính chất của đất. Các yếu tố sinh học, cụ thể là trung bình trọng số của cộng đồng (CWM) các đặc tính chức năng của thực vật, cũng đã giải thích sự biến đổi này. Đặc biệt, các cộng đồng vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn có liên quan đến các đặc tính thực vật chiếm dụng, trong khi các cộng đồng chiếm ưu thế với nấm lại có các đặc tính thực vật bảo tồn tài nguyên, cho thấy rằng các đặc điểm chức năng của thực vật và cộng đồng vi sinh vật trong đất có mối quan hệ chặt chẽ ở quy mô cảnh quan.

Khối lượng và tỷ lệ luân chuyển của sinh khối và carbon hữu cơ hòa tan trong nước (WSOC) đã được đo tại các thửa đất Breton nơi có tư liệu quản lý dài hạn của đất Gray Luvisol. Các thửa đất (đối chứng, bón phân chuồng và NPKS) đã được trồng theo chu kỳ cây lúa mì-nghỉ hoặc chu kỳ cây lúa mì-yến mạch-lúa mạch-thức ăn-thức ăn trong 50 năm đã được lấy mẫu 13 lần trong các năm 1981 và 1982. Carbon sinh khối và khí nitơ vi sinh vật đã được đo bằng kỹ thuật xông chloroform. Năng suất cây trồng lâu dài đã được sử dụng để xác định nguồn carbon cho các thửa đất. Phân tích hồi quy đã được sử dụng để liên hệ giữa sự biến động theo mùa của các điều kiện môi trường và động lực sinh khối cùng với động lực WSOC. Việc tái nhiễm với đất là không cần thiết nhưng Lysobacter sp. tạo thành tỷ lệ cao hơn của các mẫu phân lập sau khi ủ đất xông hơi so với các mẫu không xông hơi. Rất có khả năng rằng việc tái nhiễm với Lysobacter sp. sẽ cung cấp các kiểm định sinh học chuẩn hóa hơn. Chu kỳ 5 năm có 38% lượng nitơ nhiều hơn nhưng 117% nitơ vi sinh vật nhiều hơn so với chu kỳ 2 năm, và các phương pháp bón phân chuồng có chứa gấp đôi lượng nitơ vi sinh vật so với các thửa đất NPKS hay đối chứng. Một hiệu ứng quản lý đối với chất lượng chất hữu cơ trong đất được chỉ ra. Tỷ lệ luân chuyển trung bình của sinh khối nằm trong khoảng 0.2–3.9 năm⁻¹; nhanh hơn 1.5–2 lần trong chu kỳ 2 năm so với chu kỳ 5 năm. Việc bổ sung thành phần WSOC sẽ phải xảy ra 26–39 lần năm⁻¹ để cung cấp sự luân chuyển của vi sinh vật. Hầu hết sinh khối phải ở trong trạng thái ngủ nghỉ vì lượng carbon hàng năm đầu vào ít hơn hai bậc so với yêu cầu năng lượng duy trì. Các biến đổi theo mùa trong sinh khối có mối liên hệ nhất quán nhất với tổn thất trong quá trình khô kiệt và tái sinh khi được làm ẩm. Tái sinh dường như là một khoản chi phí cho carbon hữu cơ trong đất bản địa. Các thực hành quản lý và điều kiện môi trường do đó ảnh hưởng đến lượng chất hữu cơ bằng cách kiểm soát cả đầu vào carbon và luân chuyển sinh khối. Từ khóa: Các chu kỳ cây trồng, Luvisol, chất hữu cơ, sinh khối, carbon hòa tan, các đoạn đất Breton