西南地理所在东南黑土农田酸杆菌生物地理分布商讨中获进展

土壤中酸杆菌门细菌数量与变形菌门细菌相当,一般占细菌总量的20%-50%左右,在土壤生态过程中起重要作用。酸杆菌细菌一般具有嗜酸、寡营养和难培养的特点。国际上多篇基于高通量测序论文的研究结果发现,森林和草原土壤中酸杆菌的相对丰度与土壤pH成显著负相关关系,然而前期针对我国东北黑土农田的研究发现这种关系在黑土带上不成立(SBB,
2014, 70:113-122),表明黑土农田土壤酸杆菌可能存在独特的分布格局。

微生物群落组成与多样性的空间格局及对环境变化的响应研究,是揭示地球上生物多样性产生和维持机制的前提。近年来,土壤微生物的分布格局及其驱动机制研究成为国际上的研究热点。

微生物群落组成与多样性的空间格局及对环境变化的响应研究,是揭示地球上生物多样性产生和维持机制的前提。近年来,土壤微生物的分布格局及其驱动机制研究成为国际上的研究热点。

中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组王光华团队针对酸杆菌专性引物ACIDO/342r的Miseq测序结果,并结合前期采用细菌通用引物的454高通量测序结果,对酸杆菌门细菌在黑土带上的分布规律进行了综合分析。研究发现黑土农田土壤中存在21个酸杆菌亚门细菌,其中GP1、GP3、GP4和GP6为优势类群,占测序总数的90%左右,而GP2相对丰度小于1%,这与自然森林和草地土壤不同。研究揭示出酸杆菌的绝对丰度与土壤有机质含量成高度正相关关系,表明黑土中一些酸杆菌成员为富营养菌,修正了对酸杆菌是寡营养菌的认识。研究结果表明酸杆菌亚门GP1和GP3的相对丰度与土壤pH成负相关关系,而亚门GP4和GP6与pH成正相关关系;不同亚门酸杆菌与土壤pH值正负关系相互抵消及缺少GP2从而导致东北黑土农田酸杆菌相对丰度与土壤pH值负相关关系不显著。研究揭示黑土农田酸杆菌群落多样性与pH值呈现非线性单峰分布状态,在土壤pH值6.0左右时,酸杆菌多样性最高。研究还发现,有别于黑土农田细菌和真菌群落分布规律,地理空间距离对酸杆菌群落在东北黑土带上分布格局影响不大,而土壤因素,特别是土壤pH是驱动酸杆菌群落结构分布的关键因子。

中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组科研人员对我国东北典型黑土农田样带细菌、真菌和酸杆菌地理分布格局进行了深入研究,取得了一批优秀的科研成果。在此基础上,该组科研人员利用实时定量qPCR和高通量测序技术,进一步研究了黑土农田土壤古菌和氨氧化细菌、氨氧化古菌的群落结构和多样性分布特征及其驱动机制。

中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组科研人员对我国东北典型黑土农田样带细菌、真菌和酸杆菌地理分布格局进行了深入研究,取得了一批优秀的科研成果。在此基础上,该组科研人员利用实时定量qPCR和高通量测序技术,进一步研究了黑土农田土壤古菌和氨氧化细菌、氨氧化古菌的群落结构和多样性分布特征及其驱动机制。

该研究得到中科院先导科技专项XDB15010103等项目的资助,研究成果发表在最新出版的Soil
Biology & Biochemistry
(2016,
95:212-222)。目前该学科组已在SBB上连续发表3篇论文阐述东北黑土农田土壤微生物群落在黑土带上的分布规律及驱动机制。

研究发现,亚硝化球菌(Nitrososphaera)和亚硝化螺菌(Nitrosospira)分别是黑土区农田土壤中参与氨氧化过程的主要AOA和AOB类群。AOA的amoA基因丰度与土壤有机质含量显著正相关,但与土壤pH不存在相关关系。与之相反AOB的amoA基因丰度与土壤pH显著正相关,而与有机质含量不存在相关关系,说明AOA与AOB的生理特征存在差异。AOA丰度与有机质含量显著正相关的结果与AOA主要分布在贫营养环境的报道相悖,说明黑土中有一些与碳源利用相关的AOA类群数量会随有机质含量增加而增加。群落结构分析发现,AOA较AOB在黑土带上表现出更加明显的地理分布格局,土壤pH是驱动两类氨氧化微生物空间分布的主要因子。尽管黑土中AOA的amoA基因丰度明显高于AOB,但相关分析显示,AOB与土壤的潜在硝化速率关系较AOA更密切,表明AOB可能是黑土氨氧化的最主要贡献者。

研究发现,亚硝化球菌(Nitrososphaera)和亚硝化螺菌(Nitrosospira)分别是黑土区农田土壤中参与氨氧化过程的主要AOA和AOB类群。AOA的amoA基因丰度与土壤有机质含量显著正相关,但与土壤pH不存在相关关系。与之相反AOB的amoA基因丰度与土壤pH显著正相关,而与有机质含量不存在相关关系,说明AOA与AOB的生理特征存在差异。AOA丰度与有机质含量显著正相关的结果与AOA主要分布在贫营养环境的报道相悖,说明黑土中有一些与碳源利用相关的AOA类群数量会随有机质含量增加而增加。群落结构分析发现,AOA较AOB在黑土带上表现出更加明显的地理分布格局,土壤pH是驱动两类氨氧化微生物空间分布的主要因子。尽管黑土中AOA的amoA基因丰度明显高于AOB,但相关分析显示,AOB与土壤的潜在硝化速率关系较AOA更密切,表明AOB可能是黑土氨氧化的最主要贡献者。

论文链接

此外,针对古菌群落的研究仅检测到三个门,其中奇古菌(Thaumarchaeota)数量最多,其次是广古菌(Euryarchaeota),而泉古菌(Crenarchaeota)占比非常小。奇古菌中Thaumarchaeota
group 1.1b是最主要分布类群,平均相对丰度为87.23%。鉴于Thaumarchaeota
group
1.1b隶属于Nitrososphaera类群,说明黑土农田土壤中的大部分古菌均参与了氨氧化过程。研究还发现古菌与细菌群落分布规律相似,均存在明显的空间分布格局,土壤pH是驱动古菌群落分布的最主要土壤因子。

此外,针对古菌群落的研究仅检测到三个门,其中奇古菌(Thaumarchaeota)数量最多,其次是广古菌(Euryarchaeota),而泉古菌(Crenarchaeota)占比非常小。奇古菌中Thaumarchaeota
group 1.1b是最主要分布类群,平均相对丰度为87.23%。鉴于Thaumarchaeota
group
1.1b隶属于Nitrososphaera类群,说明黑土农田土壤中的大部分古菌均参与了氨氧化过程。研究还发现古菌与细菌群落分布规律相似,均存在明显的空间分布格局,土壤pH是驱动古菌群落分布的最主要土壤因子。

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该研究成果于2018年和2019年先后发表在Frontiers in
Microbiology
上。研究得到中科院战略性先导专项和国家自然科学基金项目的资助。

该研究成果于2018年和2019年先后发表在Frontiers in
Microbiology上。研究得到中科院战略性先导专项和国家自然科学基金项目的资助。

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