青藏高原高寒草地硝化作用及其相关菌群生态位分化特征与环境关系的研究

Nitrification is a pivotal component of the biogeochemical nitrogen cycle, which is carried out by important microbial guilds such as ammonia oxidizing archaea (AOA) , nitrite oxidizing bacteria (NOB) and ammonia oxidizing bacteria (AOB). Nitrification can also be catalysed by 'complete ammonia oxidisers' (comammox), which have been recently identified within the Nitrospira genus. However, their relative contributions to nitrification and existence in distinct ecological niches remain to be determined. In this study, population dynamics and activity of nitrifiers inhabitated in varying degradation gradient alpine grassland in Maqu, Gansu are going to be investigated by 13CO2-SIP-DNA experiments, microcosm incubations, real-time PCR and Miseq sequencing of amoA gene of AOA, AOB, 16S rDNA and comammox. This first study addressing how AOA, AOB, NOB and comammox respond to degradation of alpine grassland, together with soil, climatology and vegetation data, are intended to reveal the effects of alpine grassland degradation on the niche differentiation of nitrifiers and nitrification activity, as well as the relative contribution of AOA, AOB, NOB and comammox to nitrification in varying gradient grassland soils. It would provide us with the opportunity to explore the controlling factors for nitrogen cycle covaried with the soils in Tibetan alpine degrading grassland.

硝化作用是全球氮循环的中心环节，由氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)亚硝化细菌（NOB)和完全硝化菌(comammox)共同催化完成，但硝化相关菌群的生态位分化特征及其在不同生境中对硝化作用的重要性和相对贡献仍有待进一步阐明。本研究拟用16s rDNA、amoA基因荧光定量PCR、高通量测序、microcosm及同位素示踪等微生态学技术，研究青藏高原不同退化程度高寒草地土壤硝化活性、以及AOA、AOB、NOB和comammox菌群的丰度、组成结构及活性的变化，分析土壤硝化活性和AOA、AOB、NOB及comammox菌群的生态位分化对不同退化程度高寒草地的响应，结合土壤理化分析，揭示高寒草地退化与硝化活性变化、以及与AOA、AOB、comammox及NOB生态位分异的关键驱动因子，并阐明其影响机制。研究结果将为了解高寒草地退化与N循环的关系提供科学依据；也为理解全球N循环提供积累。

硝化作用是全球氮循环的中心环节，由AOB、AOA、NOB和comammox共同催化完成，但硝化相关菌群的生态位分化特征及其在不同生境中对硝化作用的重要性和相对贡献仍有待进一步阐明。对青藏高原玛曲县沼泽草甸（Swamp meadow, SM）、高寒草甸（Alpine meadow, AM）高寒草原（Alpine steppe, AS）和以及荒漠化草原（Desert steppe, DS）土壤的硝化活性、硝化菌群的丰度、结构、相对贡献、及其对NH4+-N浓度和温度变化的响应、及AOA富集培养物的类别和生理特性进行了研究。结果表明，氨氧化潜势和亚硝酸氧化潜势AM>SM>AS>DS，Km值和抑制实验表明，AOA是不同草地土壤氨氧化的主要贡献者。comammox丰度高于AOA和AOB，comammox Nitrospira在DS土壤中相对丰度最高。不同草地AOA和NOB优势菌群无明显变化，AOB优势菌群从SM的Nitrosospira cluster 3a.1和3b向DS的cluster 3a.1转变。网络分析表明，亲缘关系较近的物种受不同环境因子影响，硝化菌群随着草地类型的变化存在生态位的分化。Microcosm实验表明，三种氮添加浓度（0 μg NH4+-N g−1土、20 μg NH4+-N g−1土、200 μg NH4+-N g−1）均增加了不同草地土壤AOA和AOB丰度，且AOB丰度与硝化速率显著正相关，AOB是高浓度土壤氮硝化作用的主导者。氮添加显著降低了AOB的α多样性，但对AOA和NOB的α多样性无显著影响。不同草地类型土壤中AOA/AOB/NOB硝化菌群的不同类别对氨氮添加的响应不一致，硝化菌群内的不同类别发生了生态位的分化。不同草地土壤硝化速率和硝化菌群丰度对温度变化的响应不同，硝化菌群对温度变化的抵抗力为comammox> AOA > AOB，温度变化导致不同草地土壤中AOA、AOB和comammox生态位的分化。从不同草地土壤富集到14株AOA培养物，其分别隶属于不同系统发育组。AOA富集培养物最适生长温度均为37℃，最适底物浓度为0.5 mM NH4+，最适pH值为7.0，但对NO2−的耐受不同，其生理特性具有生态位差异。研究结果将为了解高寒草地退化与N 循环的关系提供科学依据；也为理解全球N循环提供积累。