森林植物不同部位微生物群落结构和功能性状对氮沉降的响应

Microorganisms play important roles in plant growth, diversity maintenance and environmental adaptation. However, the response of community structure and functions of microbes among the plant tissues to atmospheric N deposition are not clear. Studies on the responses of function structure of phyllosphere and leaf endophyte in the canopy layer are poorly documented. Here, high-throughput sequencing, metagenome and bioinformatics methods will be used to study the responses of plant microbial functional traits to N deposition based on Canopy Addition N experiment in central China. By analyzing the responses of community structure and functions traits of microbes to canopy and understory nitrogen addition, the sensitive microbes and microbial functional traits to N deposition will be ensured. The relative importance of environmental filtering, biotic competition and random effect in the community assembly processes will be disentangled. Our study will reveal the community structure and functional trait-based principle of plant microbial and key regulating factors of N deposition. Those results will reveal the adaptation mechanisms of plant microbes to environmental changes, and provide new insights into our understanding of microbes response to global climate changes.

微生物对植物生长、环境适应和多样性的维持起着重要作用。然而森林植物不同部位微生物群落结构和功能对氮沉降的响应并不清楚，特别是林冠层叶内和叶际微生物对氮沉降的响应则极少有报道。本项目拟借助国内首个“林冠模拟氮沉降”野外控制试验平台，利用高通量测序、宏基因组技术和生物信息学方法，基于参与植物生理生态过程的功能基因鉴定微生物功能性状，研究林冠和林下模拟氮沉降处理下植物叶内、叶际、根内、根际微生物群落结构和功能性状的变化规律，揭示对氮沉降响应敏感的菌群和关键功能性状；分析环境筛、生物竞争和随机过程在氮沉降下微生物群落构建过程中的相对作用；阐明驱动微生物结构和功能性状变化的关键因素。研究成果将为预测森林生态系统功能对全球变化的响应机制提供科学依据。

氮沉降作为全球变化的一个重要方面，对森林生态系统产生了显著的影响。植物微生物组对植物生长、环境适应和多样性的维持同样起着重要作用。然而森林植微生物组群落结构和功能对氮沉降的响应并不清楚，制约了我们对氮沉降背景下微生物与植物功能变化的认识。本项目借助国内首个“林冠模拟氮沉降”野外控制实验平台，利用高通量测序、宏基因组技术和生物信息学方法，分析了植物微生物功能和群落构建过程对林冠和林下氮沉降的响应。主要结果如下：不同氮沉降方式和浓度对氮循环功能基因影响有显著差异，氮循环基因，特别是固氮基因（nifH）是对氮沉降响应敏感的关键功能性状；叶际和叶内微生物组成差异显著，叶际微生物多样性显著大于叶内微生物；与不进行氮添加的对照处理相比，氮沉降处理下植物叶片细菌多样性显著降低，林下施低氮具有最低的细菌多样性；此外，不同植物种类植物微生物组对氮沉降的响应规律并不一致，反映了宿主植物对植物微生物多样性具有重要的影响；不同氮添加方式显著改变了植物功能性状，并通过提高环境筛作用改变了植物微生物群落构建对氮沉降的响应模式。研究成果将为预测森林生态系统功能对全球变化的响应机制提供科学依据，也为建立森林生态学的微生物群落构建理论体系作出贡献。