山地生态系统中土壤固氮菌群落空间分异、季节动态及其驱动机制

Biological nitrogen fixation (BNF) is the main route for nitrogen into the biosphere. It's still under debate how climate changes affect BNF, and what the consequences for N fixation activity are. Elevation gradient in mountain ecosystem provides a good model to study these questions. Gongga mountain (Minya Konka) lies in the east edge of Tibetan plateau. In this proposal, we will study spatial and temporal patterns of soil diazotrophic communities along the elevation gradient of Gongga Mountain, and the relationships between the shifts of these patterns and N fixation activity and environmental factors (climate, soil properties etc.). We will investigate the key environmental drivers influencing the structure, function and the assembly of soil diazotrophic community, and the adaptation mechanisms of diazotrophic community to climate changes (resilient, resistance and redundancy mechanism). Most of sequences produced using widely used biomarker gene nifH can’t be classified under phylum level. We will develop full-length nifH gene amplicon sequencing methods based on third generation platform PacBio Sequel, and select best primer pair for diazotrophic community sequencing. The standard database of full-length nifH genes will be constructed via integrating taxonomic and phylogenetic information of available nifH genes. This study will increase the understandings of global changes on BNF, and provide scientific support for utilizing diazotroph resources.

生物固氮是氮元素进入生态系统的主要途径，然而，土壤固氮菌群对气候变化的响应机制及其与固氮活性的关系仍不完全清除。本项目拟以青藏高原东缘贡嘎山垂直带谱上的典型生态系统为对象，系统研究固氮菌群落在海拔梯度上的空间分异、构建机制、季节动态变化及其与固氮活性的关系，研究固氮菌群对环境变化的响应机制（抵抗性、反弹性、冗余性）。通过挖掘固氮群落与气候、土壤理化性状等因子的关系，揭示固氮菌群空间分异和季节变化的关键驱动因子及其对环境变化的响应。针对当前固氮菌biomarker基因nifH短片段测序数据大部分不能分类的问题，拟开发基于三代PacBio Sequel测序技术的nifH全长基因扩增子测序方法，筛选最佳引物，同时整合nifH基因系统发育和物种分类信息，构建nifH全长基因标准数据库。本研究有助于理解全球变化对生物固氮的影响机理，为开发利用固氮菌资源提供科学支撑。

生物固氮是氮元素进入生态系统的主要途径，然而，土壤固氮菌群对气候变化的响应机制仍不完全清楚。为了回答这个问题，本项目分别以贡嘎山垂直带谱上的典型生态系统（1800-4100 m）、青海海北高寒草甸生态系统（3200-4200 m）为对象，系统研究固氮菌群落在海拔梯度上的空间分异、构建机制、季节动态变化。结果表明，贡嘎山土壤固氮菌alpha多样性在3000 m以上开始下降，主要受土壤有机碳、总氮和植物物种丰富度驱动；确定性过程在低海拔和高海拔更重要，随机过程在中间海拔更重要。这一结果说明植物与土壤固氮菌存在强相互关系。海北高寒草甸海拔梯度上的土壤固氮菌结构主要受温度和土壤含水率驱动，不同海拔、不同土层的固氮菌群落差异显著。Alpha多样性呈单峰曲线变化，受土壤含水率驱动。不同海拔生态位被不同类型的固氮菌占据：共生固氮菌在豆科植物丰富的低海拔比例更高，耐寒的自生固氮菌Polaromonas在高海拔更高；土壤含水率最高的中间海拔则以厌氧菌Geobacter和Anaeromyxobacter为主，高含水率抑制了豆科植物和中慢生根瘤菌。温度既能直接影响温敏型固氮菌，也能通过植被和土壤理化性质间接影响固氮菌。上述结果说明气候变化可能强烈影响生物固氮，自生固氮菌可能在青藏高原高寒草甸生物固氮过程起到重要作用。海拔梯度上的固氮菌群落在生长季发生动态变化，主要受气候、植物驱动。此外，我们开发了一套nifH基因数据库，用于注释nifH测序序列。本研究有助于理解全球变化对生物固氮的影响机理，为开发利用固氮菌资源提供科学支撑。