西双版纳热带雨林植物群落构建的驱动因素探索：基于植物-土壤生物相互作用的研究

A plant–soil feedback is becoming an important concept for explaining vegetation dynamics. Evidence is mounting that plant–soil feedbacks may play an important role in driving the composition of plant communities and functioning of terrestrial ecosystems. Plant responses to soil biota varied according to their nutrient-acquisition strategy, including positive feedback for ectomycorrhizal plants and negative feedback for nitrogen-fixing and nonmycorrhizal plants. Simulations revealed that such strategy-dependent feedback is sufficient to maintain the high taxonomic and functional diversity. However, the mechanistic understanding of plant–soil feedbacks, as well as their roles in natural ecosystems in proportion to other possible drivers, is still in its infancy. Such knowledge will enhance our capacity to determine the contribution of plant–soil feedback to community and ecosystem responses under global environmental change. Therefore, in the present proposal we aim to attempt: (a) the probable impact of microbial diversity on differential pattern of vegetation composition, (b) the establishment of promising link between belowground microbial diversity and aboveground plant functional traits, and (c) the possible connection between microbial diversity, plant community composition and various ecosystem functions e.g. nutrient uptake, pest control, carbon sequestration etc. Taken together, this proposal represents important frontiers in plant-soil feedback studies, contributing to a framework for better understanding of vegetation dynamics.

植物-土壤反馈正成为解释地上植被动态的一个重要的概念。愈来愈多的证据表明植物土壤-土壤反馈对于驱动陆地生态系统中的植物群落组成和功能具有重要作用。植物对土壤生物群的响应根据其营养获取策略而变化，包括对外生菌根植物的正反馈和对固氮和非共生植物的负反馈。模拟揭示这种基于策略的反馈足以维持高分类和功能多样性。然而，对植物-土壤反馈机制的理解，以及它们在自然生态系统中作用的认识仍处于起步阶段。这些知识将增强我们确定植物-土壤反馈对全球环境变化条件下群落和生态系统响应贡献的能力。因此，在本研究中，我们旨在尝试了解：（a）微生物多样性对不同植被组成模式的可能影响，（b）建立地下微生物多样性和地上植物功能性状之间联系，和（c）微生物多样性，植物群落组成和各种生态系统功能比如营养摄取，害虫控制，碳固存等之间的可能联系。总的来说，这项研究代表植物-土壤反馈研究的重要前沿，有助于更好地理解植被动态的构架。

微生物在植物-土壤反馈(PSF)过程中的重要作用是植物群落构建的主要驱动力。然而，微生物与植物相互作用、对植物适应度影响，以及驱动生态系统多功能的具体方式和机制仍然有较多的未知。本研究旨在探讨自然林群落中土壤微生物的功能类群与植物群落的关系。研究的主要目标是:(1)查明热带和亚热带森林土壤细菌功能基因的空间格局，明确对植物群落组成具有重要作用的功能基因；(2)阐明土壤细菌功能基因在不同维度上的生物地理分布模式，并解析驱动其分布模式的重要环境因素；(3)针对自然森林生态系统中，了解PSF机制及其在自然林生态系统中对植物群落组成的作用，建立植物微生物群落组成图谱。西双版纳的热带季节雨林是物种最丰富、多样性最高的森林之一，为开展PSF过程的研究提供了理想的平台，也是本研究的理想样地。我们的研究显示了热带森林中土壤细菌的功能基因(NirK, NosZ, AOA, AOB, PhoD)具有不同的空间分布格局，并发现热带森林中PhoD基因具有最高的丰富度，且与植物生物量呈正相关关系。更为重要的是，我们发现土壤氮磷比(P限制指标)是PhoD基因丰度的驱动因素。此外，热带雨林(纳坂河)与亚热带森林(哀牢山)的PhoD分布格局具有明显的纬向差异。有趣的是，土壤pH值是影响其维度分布格局的关键因素，表明PhoD基因活性受控于碱性土壤的pH值。同时，我们进一步研究了植物不同生态位(叶际和根圈)中植物与细菌群落特异性的相互作用。结果表明，植物根际土壤细菌具有高度共生性和多样性，生态位特异性的细菌群落更为多样化。根际细菌群落以变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和Verrucomicrobia为主，而叶际细菌群落以变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为主。最重要的是，植物宿主与细菌的共生关系具有亲缘关系，表现出明显的进化联系。该项目为研究自然林生态系统植物微生物组成和功能基因空间分布提供了理论基础。结果不仅可直接应用于群落生态学研究，还为拓展微生物功能群的生物地理知识，以及植物-微生物交互作用对植物群落构建的意义有重要价值。