A multi-scale eco-evolutionary model of cooperation reveals how microbial adaptation influences soil decomposition.
A multi-scale eco-evolutionary model of cooperation reveals how microbial adaptation influences soil decomposition.
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合作的多尺度生态进化模型揭示了微生物适应如何影响土壤分解。
DOI：
10.1038/s42003-020-01198-4
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发表时间：
2020-09-21
影响因子：
5.9
通讯作者：
Ferrière R
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Abs E;Leman H;Ferrière R
土壤有机质的分解是全球陆地生态系统的重要过程。SOM分解是由微生物驱动的，微生物通过分泌昂贵的胞外（exo-）酶进行合作。这提出了一个基本的难题：尽管微生物在进化上容易受到“骗子”的影响，但微生物分解的稳定性仍然存在。“骗子”是指在付出较低成本的同时从合作中获益的突变菌株。解决这个难题需要一个多尺度的生态进化模型，捕捉分子-分子，分子-细胞，细胞-细胞相互作用的时空动力学。这样一个模型的分析揭示了当地的植被，微生物的扩散，有限的土壤扩散的微生物分解的进化稳定性的关键因素。在整个生态系统功能的尺度上，土壤扩散影响胞外酶的产生，反馈到平均SOM分解速率和股票的演变。因此，微生物的适应性进化可能是土壤碳通量对全球环境变化响应的一个重要因素。Abs等人开发了一个多尺度模型来解释微生物合作驱动土壤有机质分解的演化。他们的模型表明，分解的进化稳定性取决于局部扩散、微生物扩散和有限的土壤扩散率的组合。
The decomposition of soil organic matter (SOM) is a critical process in global terrestrial ecosystems. SOM decomposition is driven by micro-organisms that cooperate by secreting costly extracellular (exo-)enzymes. This raises a fundamental puzzle: the stability of microbial decomposition in spite of its evolutionary vulnerability to “cheaters”—mutant strains that reap the benefits of cooperation while paying a lower cost. Resolving this puzzle requires a multi-scale eco-evolutionary model that captures the spatio-temporal dynamics of molecule-molecule, molecule-cell, and cell-cell interactions. The analysis of such a model reveals local extinctions, microbial dispersal, and limited soil diffusivity as key factors of the evolutionary stability of microbial decomposition. At the scale of whole-ecosystem function, soil diffusivity influences the evolution of exo-enzyme production, which feeds back to the average SOM decomposition rate and stock. Microbial adaptive evolution may thus be an important factor in the response of soil carbon fluxes to global environmental change. Abs et al. develop a multi-scale model to explain the evolution of microbial cooperation driving the decomposition of soil organic matter. Their model shows that the evolutionary stability of decomposition depends on a combination of local extinctions, microbial dispersal, and limited soil diffusivity.
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