典型生态系统类型下土壤微生物群落的地理分布特征

Microbial biogeography and its driving mechanisms are the major concerns and frontiers of soil biology and microbial ecology. In this study, the first specimen database for soil microbial gene resources will be established in China based on the systematic sampling and investigations. By using the culture-independent molecular biological approaches, such as real-time PCR, fingerprinting and high-throughput sequencing analyses, soil microbial community (including bacteria, archaea, fungi and some functional groups) abundance, composition and diversity under typical forest and grassland ecosystems will be determined. More detailed soil microbial community composition and diversity will be further examined along the selected horizontal zonality and vertical zonality of the biodiversities. The geographic distribution of soil microorganisms and its relations with spatial and environmental variables will be explored using multivariate statistical analysis. Macro-ecological theory, i.e., niche theory, neutral theory and metabolic scaling theory, will be employed to explain the mechanisms of the microbial biogeography. In this way, soil basic knowledge, microbial molecular biological techniques and ecological theories will be combined together to link the genetic and functional diversity at micro-scale with soil distribution and environmental indices at macro-scale, and expand the descriptive research about the microbial diversity focusing on the individual "point" to the mechanism research about the tempo-spatial patterns focusing on the consecutive "surface". The project will supply fundamental information for elucidating Chinese soil microbial biogeography and developing theoretical framework for microbial ecology.

微生物地理分布特征及驱动机制是微生物生态学研究的重要前沿。本项目通过系统采样调查，运用实时定量 PCR、分子指纹图谱、高通量测序等技术，研究我国典型森林、草地生态系统下土壤细菌、古菌、真菌等的多样性及其水平、垂直地带性分布，结合多元统计方法，对比分析微生物群落组成和多样性对不同空间和环境因子的响应。建立我国第一个土壤微生物基因资源样品库，揭示土壤微生物多样性及其空间分布特征，检验宏观生态学理论（生态位理论、中性理论和生态代谢理论）在微生物生态学中的应用。本项目借助土壤学的基础、微生物分子生物学的技术和生态学的理论，将微观微生物遗传及功能多样性与宏观土壤分布及环境条件指标结合起来，从对"点"上微生物组成和多样性"描述性"的研究扩展到"面"上时空格局"机理"的研究，在研究思路、理论和方法上具有重要创新。研究成果有望为阐明我国土壤微生物地理分布特征和构建微生物生态学理论框架提供基础信息。

土壤微生物直接或间接地参与所有的土壤生态过程，在生态系统物质循环、能量转换以及人类环境与健康方面起着重要作用。一直以来，微生物是否存在地理分布格局尚存争论，许多适用于动植物的经典理论也未能在微生物中得到很好验证。因此，土壤微生物群落随环境梯度的空间分布特征及其驱动机制是土壤生物学和微生物生态学亟待回答的问题。分子生物学技术突破了传统培养方法的限制，直接从基因水平上考查微生物多样性，从而使得在大范围上对微生物空间分布格局及其成因的深入研究成为可能。本项目充分利用我国土壤资源丰富的优势，广泛收集了采自不同典型生态系统的近五千份土壤样品，获取土壤微生物基因组DNA并建立了中国土壤生物基因资源库；通过对16S rRNA基因、ITS及部分功能基因等DNA序列的分析，并结合多种统计方法，考查土壤微生物的遗传和功能的空间分布特征及其形成机制，并探讨宏观生态学理论，如生态位理论、中性理论等对土壤微生物的适用性。取得的进展主要包括（1）阐明了包括纬度梯度和海拔梯度在内的典型环境梯度中，土壤微生物群落类似于植物的地带性分布特征及其受土壤性质、特别是土壤pH主导的多样性格局；（2）通过模型拟合分析，检验了区域尺度、局域尺度和场地尺度等不同的空间尺度上，生境类型、环境因子和空间距离对微生物群落分布特征的影响；（3）通过对功能基因的表征，揭示了在不同空间尺度上土壤微生物所执行的功能，如氮循环和汞甲基化等随土壤演替梯度和水分梯度的变化特征；（4）明确了环境条件的筛选作用（生态位过程）对于土壤微生物群落空间分布的影响大于扩散限制的影响（中性过程），并基于“多样性-稳定性理论”提出了微生物随环境梯度进行群落构建的概念模型。本项目为微生物生态学理论框架的建立和陆地生态系统的管理和功能调控提供了依据。在本项目的资助下共发表SCI论文19篇、中文核心期刊4篇，培养毕业博士研究生3名，出站博士后1名。