Macroecological distributions of gene variants highlight the functional organization of soil microbial systems

生物 相对丰度分布 丰度(生态学) 宏观生态学 生物多样性 基因 编码 生态学 进化生物学 微生物生态学 微生物种群生物学
作者
Arthur Escalas,Fabiana S. Paula,François Guilhaumon,Mengting Yuan,Yunfeng Yang,Linwei Wu,Feifei Liu,Jiaje Feng,Yuguang Zhang,Jizhong Zhou
出处
期刊:The ISME Journal [Springer Nature]
卷期号:16 (3): 726-737 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41396-021-01120-8
摘要

The recent application of macroecological tools and concepts has made it possible to identify consistent patterns in the distribution of microbial biodiversity, which greatly improved our understanding of the microbial world at large scales. However, the distribution of microbial functions remains largely uncharted from the macroecological point of view. Here, we used macroecological models to examine how the genes encoding the functional capabilities of microorganisms are distributed within and across soil systems. Models built using functional gene array data from 818 soil microbial communities showed that the occupancy-frequency distributions of genes were bimodal in every studied site, and that their rank-abundance distributions were best described by a lognormal model. In addition, the relationships between gene occupancy and abundance were positive in all sites. This allowed us to identify genes with high abundance and ubiquitous distribution (core) and genes with low abundance and limited spatial distribution (satellites), and to show that they encode different sets of microbial traits. Common genes encode microbial traits related to the main biogeochemical cycles (C, N, P and S) while rare genes encode traits related to adaptation to environmental stresses, such as nutrient limitation, resistance to heavy metals and degradation of xenobiotics. Overall, this study characterized for the first time the distribution of microbial functional genes within soil systems, and highlight the interest of macroecological models for understanding the functional organization of microbial systems across spatial scales.

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