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成都生物所在贡嘎山微生物海拔多样性分布格局研究中取得系统性进展
发表日期: 2022-08-03 作者: 文章来源:
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 生物多样性保护对人类社会的生存和发展至关重要,研究生物多样性的产生和维持机制有助于预测生态系统功能的演变方向和深入挖掘未知生物资源。土壤微生物是重要的分解者,是生态系统物质循环与能量流动的引擎,影响土壤发育和生态系统演替。土壤微生物还是重要的战略生物资源,拥有海量的物种和基因资源。因此研究土壤微生物多样性在不同环境的地理分布格局,具有重要的生态和现实意义。 

 我国西南山地是全球36个生物多样性热点地区之一,是我国重要的生态安全屏障和重点生态功能区。在山区,海拔梯度包含了温度、湿度、植被和光照等各种环境因子的差异,其变化要比纬度梯度上快1000倍,因而在山地系统进行生物多样性保护、多样性分布格局及其驱动因素的研究具有重要意义。但长期以来,由于微生物个体微小、监测手段缺乏等限制,相关研究长期滞后于动植物的生物地理学。直到2008年,Bryant等在PNAS上发文,首次描述了土壤酸杆菌(Acidobacteria)多样性的海拔分布格局与植物存在显著差异,即随海拔上升,土壤酸杆菌多样性线性减小,而植物多样性呈单峰型分布。自此,土壤微生物多样性海拔分布格局研究受到了极大的重视。 

 在随后的大量研究中,关于土壤微生物的海拔分布格局,不同研究的结果缺乏一个普遍的变化趋势。但大多数文献数据表明,土壤微生物多样性随海拔升高呈现降低的趋势,其它模式还包括无趋势、单峰或者倒U型等分布格局。这些零散的研究大多局限在土壤总细菌和真菌,缺乏各类功能微生物的相关研究,比如参与碳、氮、磷循环的功能微生物,更没有在同一生态系统中比较不同类群微生物多样性的海拔分布格局和驱动因素。 

 贡嘎山位于我国西南山地横断山脉,是我国第三高峰,被誉为“蜀山之王”。东坡海螺沟从山麓至山顶分布有亚热带至寒带的各种气候带,贡嘎山是中国生物气候带垂直分布清晰、带谱多的山地,是研究土壤微生物多样性时空分布格局的理想平台(图1)。中国科学院成都生物研究所李香真研究员、李家宝副研究员团队,从2014年起在该地区持续开展了多物种微生物多样性研究,系统比较了土壤总细菌、真菌、甲烷氧化菌、固氮菌、氨氧化菌、反硝化菌和磷代谢微生物多样性的海拔分布格局,揭示了潜在驱动机制,取得一系列研究成果。 

  1 贡嘎山东坡海螺沟的样点设置和环境因子的海拔分布    

 1. 细菌与真菌的海拔分布格局。沿海拔1800米到4100米的海拔梯度上,土壤总细菌α多样性随海拔升高呈现阶梯型(stair-step)下降模式,在2600-2800米是转折点(图2A)。细菌群落结构也呈现出高、低海拔两种大的周转类型(图2B)。相关分析表明,土壤pH是总细菌多样性的关键驱动因子,这与前人在微生物大尺度生物地理学的研究结果一致。进一步分析表明,确定性生态过程(deterministic processes)是细菌群落组装的主导因素。 

  2贡嘎山海螺沟土壤总细菌α(a)和β(b)多样性的海拔分布格局 

 与细菌不同,土壤总真菌的α多样性并未出现阶梯式下降的格局,而是随海拔上升呈现平缓下降的趋势(图3),温度、降雨、植物丰富度均是真菌α多样性的重要影响因子。 

  3 山地土壤总真菌α多样性的海拔分布格局 

 随后考察了土壤总细菌和真菌多样性的季节变化规律。在常绿阔叶林 (2100) 和暗针叶林 (3000)这两个典型植被带上,季节对土壤总细菌α多样性的影响不显著(数据未展示),但对真菌α多样性有显著影响(图4)。总体来说,夏季真菌多样性要高于春季和秋季,温度和降雨是关键影响因子。由此可见,研究细菌多样性海拔分布格局时,一次性的取样能够代表细菌群落的整体海拔变化模式。 

  4 不同季节和海拔下土壤总真菌α多样性的分布格局 

 土壤微生物之间会形成复杂的交互作用,微生物共发生网络(co-occurrence)可用于揭示潜在的交互作用。与高海拔相比,土壤总细菌的网络在低海拔更复杂致密,而真菌表现出相反的趋势(图5)。环境因素(土壤pH)和生物因素 (composition)是细菌网络形成的关键因子,而生物因素(diversity)是真菌网络形成的关键因素。 

  5土壤总细菌和真菌co-occurrence网络沿海拔的分异及驱动因子 

 2. 甲烷氧化菌的海拔分布格局。甲烷是仅次于二氧化碳的温室气体,山地土壤是甲烷重要的汇,甲烷氧化菌是主要的功能微生物。土壤甲烷氧化菌α多样性随海拔升高总体呈现“正弦函数”分布格局。如果仅考虑森林土壤,从1800米到3600, α多样性则呈单峰模式。土壤pH、温度和降雨是其多样性的关键影响因子。 

  6山地土壤甲烷氧化菌α多样性的海拔分布模式(ab)及其与土壤pH的回归分析(c,d 

 3. 自由固氮菌的海拔分布格局。可以将空气中的气态N2转化为化合态氮,是陆地生态系统中重要的氮素来源。我们发现土壤自由固氮菌α多样性随海拔升高在海拔3200米到3600米之间开始下降(图7a),主要受土壤全氮和全碳驱动。确定性和随机性过程的相互作用影响着固氮菌群落结构在整个海拔梯度空间分异,确定性过程的作用大小随海拔先降低后升高,其中在中海拔地区,随机性过程(stochastic process)对固氮菌群落结构的影响起主要作用(图7b)。 

  7土壤自由固氮菌α多样性(a)和SESb)的海拔分布格局 

  SES用于表征随机性过程和确定性过程的相对作用大小。 

 4. 氨氧化微生物的分布格局。硝化作用是全球氮循环中至关重要的环节,不仅影响着陆生生态系统中N的命运,还会促进土壤中N2O的释出与硝酸盐的淋溶。硝化作用中最关键的一步——氨氧化反应,主要由氨氧化古菌(AOA)与氨氧化细菌(AOB)介导。虽然行使相同的功能,但AOAAOB沿海拔梯度上的α多样性分布格局存在显著差异。AOA的α多样性呈递降趋势(a),而AOB的α多样性沿海拔呈现“正弦函数”分布(b)。年均温、植物生物量是AOA的重要驱动因子,而植物丰富度、土壤电导率是AOB的关键影响因子。 

  8土壤氨氧化古菌(a)和氨氧化细菌(b)多样性的海拔分布格局 

    

 5. 反硝化细菌的分布格局。反硝化作用是硝态氮还原成氮气的微生物过程,是氮循环中的重要环节,山地土壤气态氮释放是森林生态系统氮损失的重要途径。其中亚硝酸盐转变成一氧化氮这一步是反硝化作用的关键步骤,主要由nirK型和nirS型反硝化细菌完成,在海拔梯度上,nirK型反硝化细菌α多样性分布随海拔升高呈现阶梯下降型,在2800米和3000米之间是转折点,而nirS型反硝化细菌呈现“正弦函数”模式分布(图8)。土壤pH和植物丰富度分别是nirKnirS型反硝化细菌群落构建的关键影响因子。

  8土壤nirKnirS型反硝化细菌多样性的海拔分布格局 

 6. 磷循环微生物的分布格局。磷元素通常被认为是山地生态系统中生物生长的限制因子,微生物可以通过溶磷作用和有机质矿化途径补充磷元素。传统观点认为,在具有酸性特征的森林土壤中,酸性磷酸酶(phoC)的作用更重要,而碱性磷酸酶(phoD)的作用长期被忽略。近期陆续发现phoD微生物的含量比phoC微生物高1-2个数量级,暗示其可能起重要作用。我们的研究发现,在峨眉冷杉生长的高海拔地区(2800米到3500米),无论是生长季(8月)还是非生长季(10月),phoD微生物的多样性呈现递减模式,在海拔3200米到3500米之间开始下降(图9)。多样性的分布模式主要受土壤pH和总磷含量的影响。 

  9土壤phoD微生物多样性的海拔分布格局 

 7. 综上所述,借助高通量测序技术和生物信息学分析,我们的研究系统揭示了山地土壤微生物多样性的海拔分布格局及驱动因素(图10)。虽然不同微生物类群的海拔分布模式区别较大,但总体来说高海拔区域的微生物多样性要普遍低于低海拔。多样性呈现不同海拔格局的原因,可能主要在于不同微生物的生态位差异巨大,导致关键控制因子存在不同,而这些因子在海拔梯度上呈现出复杂的变化规律,从而最终造就了不同微生物异彩纷呈的海拔多样性分布格局。 

  10贡嘎山土壤不同微生物多样性的海拔分布格局和驱动因子 

 由于贡嘎山独特的海拔梯度特征,在该区域开展的微生物海拔多样性研究具有广泛的代表性。我们的研究在世界范围内第一次围绕一个山地系统,同时系统监测了总细菌、真菌以及参与碳、氮和磷代谢的功能微生物,获得微生物多样性的信息更加全面,为其他微生物多样性海拔分布格局研究提供了重要参考。 

 该系列研究获得了国家自然基金、中国生物多样性监测网(SinoBON)土壤微生物专项网的支持。发表论文如下: 

 Li J., Shen Z., Li C., Kou Y., Wang Y., Tu B., Zhang S. and Li X. (2018). Stair-step pattern of soil bacterial diversity mainly driven by pH and vegetation types along the elevational gradients of Gongga Mountain, China. Frontiers in Microbiology 9: doi: 10.3389/fmicb.2018.00569 

 Wang Y., Li C., Shen Z., Rui J., Jin D., Li J. and Li X. (2018). Community assemblage of free-living diazotrophs along the elevational gradient of Mount Gongga. Soil Ecology Letters 1: 136-146. doi: 10.1007/s42832-019-0013-y 

 Li J., Li C., Kou Y., Yao M., He Z. and Li X. (2020). Distinct mechanisms shape soil bacterial and fungal co-occurrence networks in a mountain ecosystem. FEMS Microbiology Ecology 96: doi: 10.1093/femsec/fiaa030 

 Zhu B., Li C., Wang J., Li J. and Li X. (2020). Elevation rather than season determines the assembly and co-occurrence patterns of soil bacterial communities in forest ecosystems of Mount Gongga. Applied Microbiology Biotechnology 104: 7589-7602. doi: 10.1007/s00253-020-10783-w 

 Li C., Tu B., Kou Y., Wang Y., Li X., Wang J. and Li J. (2021). The assembly of methanotrophic communities regulated by soil pH in a mountain ecosystem. Catena 196:  doi: 10.1016/j.catena.2020.104883 

 Li J., Xie T., Zhu H., Zhou J., Li C., Xiong W., Xu L., Wu Y., He Z. and Li X. (2021). Alkaline phosphatase activity mediates soil organic phosphorus mineralization in a subalpine forest ecosystem. Geoderma 404: doi: 10.1016/j.geoderma.2021.115376 

 Kou, Y., Liu, Y., Li, J., Li, C., Tu, B., Yao, M., Li, X. (2021). Patterns and drivers of nirK-type and nirS-type denitrifier community assembly along an elevation gradient. mSystems, 6(6), e00667-21. doi: 10.1128/mSystems.00667-21 

 Kou Y., Li C., Tu B., Li J. and Li X. (2022). The responses of Ammonia-Oxidizing microorganisms to different environmental factors determine their elevational distribution and assembly patterns. Microbial Ecology doi: 10.1007/s00248-022-02076-8 

    


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