DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-08681-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40817175
تاريخ النشر: 2025-08-15
المؤلف: Jianxia Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفطريات الجذرية وتفاعلات النباتات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة استجابة الفطريات الميكوريزية الجذرية (AMF) والميكروبيوم المرتبط بها لإضافة النيتروجين في مرج شبه جاف، مما يعالج فجوة كبيرة في الفهم الحالي. من خلال تسلسل الأمبليكون لـ 18S rRNA للفطريات الميكوريزية الجذرية و16S rRNA للبكتيريا، جنبًا إلى جنب مع تسلسل الميتاجينوم بالأسلوب العشوائي، وجد الباحثون أن زيادة مدخلات النيتروجين على مدى 11 عامًا أدت إلى ارتباط سلبي بين تنوع بيتا وتنوع ألفا داخل مجتمع الفطريات الميكوريزية الجذرية. على وجه التحديد، كانت مستويات النيتروجين الأعلى مرتبطة بزيادة تنوع بيتا وانخفاض تنوع ألفا، مما يشير إلى انكماش النطاق وزيادة العمليات العشوائية بسبب تخفيف قيود الموارد.
علاوة على ذلك، أشارت تحليلات التوافق إلى استجابة منسقة بين مجتمع الفطريات الميكوريزية الجذرية، ومجتمع البكتيريا، وجيناتها الوظيفية، والتي كانت مرتبطة بشكل قوي بتوافر الفوسفور في التربة ($R^2 = 0.905$، $P < 0.001$). ومن الجدير بالذكر أنه بينما كانت إضافة النيتروجين تفضل اختيار البكتيريا الميكروبية وتغني الوظائف المتعلقة بالنواقل، وتخليق الأحماض الأمينية، وإصلاح النسخ، لم يكن هناك دليل على إثراء وظائف تمعدن الفوسفور ضمن الجينات البكتيرية المرتبطة بمجتمع الفطريات الميكوريزية الجذرية. وهذا يبرز التفاعل المعقد بين إضافة النيتروجين، وديناميات المجتمع الميكروبي، ودورة المغذيات في النظم البيئية شبه الجافة.
الطرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتناول اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان قابلية التكرار وموثوقية النتائج. تشمل المنهجية كلاً من الأساليب النوعية والكمية، مع تسليط الضوء على التقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها.
بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم الأساليب الإحصائية المطبقة لتفسير البيانات، مما يضمن أن النتائج قوية وإحصائيًا ذات دلالة. يشمل ذلك أي نماذج أو معادلات تم استخدامها في التحليل، بالإضافة إلى المعايير المستخدمة لتحديد دلالة النتائج. بشكل عام، يوفر هذا القسم نظرة شاملة على الإطار التجريبي الذي يدعم نتائج البحث.
النتائج
في هذه الدراسة، قمنا بدراسة هيكل مجتمع الفطريات الميكوريزية الجذرية (AMF) من خلال تسلسل جين 18S rRNA عبر 70 عينة تم جمعها من 35 قطعة أرض بمستويات مختلفة من إضافة النيتروجين على مدى عامين. حدد تحليلنا 116 وحدة تصنيف تشغيلية (OTUs) للفطريات الميكوريزية الجذرية، معظمها من الأجناس Glomus وClaroideoglomus وParaglomus وScutellospora. كشف تحليل الإحداثيات الرئيسية (PCoA) عن تغييرات كبيرة في تركيب مجتمع الفطريات الميكوريزية الجذرية استجابةً لإضافة النيتروجين، وهو ما تم دعمه بشكل أكبر من خلال اختبار مانتل الذي أشار إلى ارتباطات مع الفوسفور المتاح في التربة، والنيتروجين، ودرجة الحموضة. ومن الجدير بالذكر أن إضافة النيتروجين أدت إلى انخفاض في تنوع ألفا (المقاس من خلال غنى OTU ومؤشر شانون) بينما زادت من تنوع بيتا (كما يتضح من مؤشرات جاكارد، وبراي-كورتيس، وسورنسن)، مما يؤكد فرضيتنا حول وجود ارتباط سلبي بين تنوع ألفا وتنوع بيتا على طول تدرج النيتروجين.
علاوة على ذلك، زادت إضافة النيتروجين بشكل كبير من الفوسفور المتاح في التربة، مما قد يقلل من اعتماد النباتات على الفطريات الميكوريزية الجذرية للحصول على المغذيات، مما يؤدي إلى انخفاض تنوع الفطريات الميكوريزية الجذرية. تشير نتائجنا إلى أن إضافة النيتروجين تغير مجتمع الفطريات الميكوريزية الجذرية من خلال تقليل وفرة بعض OTUs بينما تزيد من العشوائية في تركيب المجتمع. كما أجرينا تحليلات متعددة للتوافق لاستكشاف العلاقات بين مجتمعات الفطريات الميكوريزية الجذرية والبكتيرية، مما يكشف عن استجابات منسقة لإضافة النيتروجين. أشار تحليل الجينات الوظيفية إلى أن إضافة النيتروجين عززت بعض المسارات الأيضية بينما خفضت من أخرى مرتبطة بتمعدن الفوسفور، مما يشير إلى أن زيادة توافر الفوسفور تقلل من الحاجة لدورة الفوسفور التي تتوسطها الميكروبات. بشكل عام، تؤكد نتائجنا على التفاعلات المعقدة بين ديناميات النيتروجين والفوسفور في تشكيل مجتمعات الفطريات الميكوريزية الجذرية والميكروبيومات المرتبطة بها في نظم البيئات شبه الجافة.
المناقشة
في هذه الدراسة التي أجريت في مرج معتدل في منغوليا الداخلية، بحث الباحثون في تأثيرات إضافة النيتروجين على مجتمعات الفطريات الميكوريزية الجذرية (AMF) وعلاقتها مع المجتمعات البكتيرية. شمل تصميم التجربة مستويات مختلفة من إضافة النيتروجين (0، 2، 5، 10، 15، 20، و50 غرام نيتروجين م$^{-2}$ سنة$^{-1}$) وركز على فهم كيف أثرت هذه المستويات على تنوع وتركيب الفطريات الميكوريزية الجذرية. أشارت النتائج إلى وجود ارتباط سلبي بين تنوع ألفا وتنوع بيتا للفطريات الميكوريزية الجذرية، مما يشير إلى أن زيادة النيتروجين أدت إلى انكماش النطاق وتقليل الأنواع المتعايشة، بينما عززت أيضًا العمليات العشوائية داخل مجتمع الفطريات الميكوريزية الجذرية.
علاوة على ذلك، استخدمت الدراسة تحليلات متعددة للتوافق، مما كشف أن استجابات مجتمعات الفطريات الميكوريزية الجذرية والبكتيرية، جنبًا إلى جنب مع الوظائف البكتيرية، تأثرت بشكل كبير بتوافر الفوسفور في التربة (R² = 0.905، P < 0.001). على الرغم من التغيرات الملحوظة في ديناميات المجتمع، لم يكن هناك دليل على إثراء في وظائف تمعدن الفوسفور بين الجينات البكتيرية المرتبطة بمجتمع الفطريات الميكوريزية الجذرية. بدلاً من ذلك، لاحظت الدراسة إثراء الوظائف المتعلقة بالنواقل، وتخليق الأحماض الأمينية، والأيض، وإصلاح النسخ، مما يبرز التفاعلات المعقدة بين إضافة النيتروجين، والفطريات الميكوريزية الجذرية، والمجتمعات البكتيرية في هذا النظام البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-08681-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40817175
Publication Date: 2025-08-15
Author(s): Jianxia Yang et al.
Primary Topic: Mycorrhizal Fungi and Plant Interactions
Overview
This study investigates the response of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and the associated microbiome to nitrogen addition in a semiarid grassland, addressing a significant gap in current understanding. Through amplicon sequencing of AMF 18S rRNA and bacterial 16S rRNA operons, alongside shotgun metagenome sequencing, the researchers found that increased nitrogen inputs over 11 years led to a negative correlation between beta diversity and alpha diversity within the AMF community. Specifically, higher nitrogen levels were associated with increased beta diversity and decreased alpha diversity, suggesting niche contraction and enhanced stochastic processes due to relaxed resource limitations.
Furthermore, co-inertia analyses indicated a coordinated response among the AMF community, bacterial community, and their functional genes, which was strongly correlated with soil phosphorus availability ($R^2 = 0.905$, $P < 0.001$). Notably, while nitrogen addition favored the selection of Actinobacteria and enriched functions related to transporters, amino acid synthesis, and replication repair, there was no evidence of enrichment for phosphorus mineralization functions within the bacterial genes associated with the AMF community. This highlights the complex interplay between nitrogen addition, microbial community dynamics, and nutrient cycling in semiarid ecosystems.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents and equipment, as well as the protocols followed to ensure reproducibility and reliability of results. The methodology encompasses both qualitative and quantitative approaches, highlighting the techniques used for data collection and analysis.
Additionally, the section describes the statistical methods applied to interpret the data, ensuring that findings are robust and statistically significant. This includes any models or equations utilized in the analysis, as well as the criteria for determining the significance of results. Overall, this section provides a comprehensive overview of the experimental framework that underpins the research findings.
Results
In this study, we investigated the community structure of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) through 18S rRNA gene metabarcoding across 70 samples collected from 35 plots with varying nitrogen addition levels over two years. Our analysis identified 116 AMF operational taxonomic units (OTUs), predominantly from the genera Glomus, Claroideoglomus, Paraglomus, and Scutellospora. Principal Coordinate Analysis (PCoA) revealed significant changes in AMF community composition in response to nitrogen addition, which was further supported by a Mantel test indicating correlations with soil available phosphorus, nitrogen, and pH. Notably, nitrogen addition led to a decrease in alpha diversity (measured by OTU richness and Shannon’s index) while increasing beta diversity (as indicated by Jaccard, Bray-Curtis, and Sørensen indices), thereby confirming our hypothesis of a negative correlation between alpha and beta diversity along the nitrogen gradient.
Additionally, nitrogen addition significantly increased soil available phosphorus, which may reduce plant reliance on AMF for nutrient acquisition, leading to decreased AMF diversity. Our findings suggest that nitrogen addition alters the AMF community by decreasing the abundance of certain OTUs while increasing stochasticity in community composition. We also conducted multiple co-inertia analysis to explore the relationships between AMF and bacterial communities, revealing coordinated responses to nitrogen addition. Functional gene analysis indicated that nitrogen addition enhanced certain metabolic pathways while downregulating others related to phosphorus mineralization, suggesting that increased phosphorus availability diminishes the need for microbial-mediated phosphorus cycling. Overall, our results underscore the complex interactions between nitrogen and phosphorus dynamics in shaping AMF communities and their associated microbiomes in semiarid grassland ecosystems.
Discussion
In this study conducted in a temperate grassland in Inner Mongolia, the researchers investigated the effects of nitrogen addition on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) communities and their relationship with bacterial communities. The experimental design included various nitrogen addition levels (0, 2, 5, 10, 15, 20, and 50 g N m$^{-2}$ yr$^{-1}$) and focused on understanding how these levels influenced AMF diversity and composition. The findings indicated a negative correlation between AMF alpha and beta diversity, suggesting that increased nitrogen led to niche contraction and a reduction in coexisting species, while also enhancing stochastic processes within the AMF community.
Furthermore, the study employed multiple co-inertia analyses, revealing that the responses of AMF and bacterial communities, along with bacterial functions, were significantly influenced by soil-available phosphorus (R² = 0.905, P < 0.001). Despite the observed changes in community dynamics, there was no evidence of enrichment in phosphorus mineralization functions among bacterial genes associated with the AMF community. Instead, the study noted an enrichment of functions related to transporters, amino acid synthesis, metabolism, and replication repair, highlighting the complex interactions between nitrogen addition, AMF, and bacterial communities in this ecosystem.