2018-03-15
新年伊始，派森诺生物与西北农林科技大学合作，在环境生态领域知名期刊《Science of the Total Environment》（影响因子：4.900）发表新研究论文，土壤和草地菌群的生物量随海拔高度的梯度变化规律。
研究背景
我们知道，气温、降水和紫外辐射等气候因素会随海拔高度而改变，从而在高度梯度上形成复杂的环境变化。在这种梯度作用下，微生物群落的物种组成，尤其是好氧微生物含量，很容易受到氧浓度变化的影响。因此，海拔梯度可以为理解环境变化对地球微生物组的影响提供一个框架模式，并进一步预测气候变化所带来的深远影响（如核心微生物物种的损失等）。同时，随着我们对“海拔变化——土壤条件——植物共生微生物群落”之间复杂的相互作用的认识的深入，也将有助于改善我们对微生物进程的预测。
作为森林生态系统的重要组成部分，土壤微生物可以调节陆地生态系统中的生物化学循环。比如，在动态环境中，土壤微生物的微小变化可能导致植物土壤系统养分转化的显著变化。因此，土壤微生物可能反映了不同海拔梯度的地上地下理化性质的变化。此外，一些研究还表明，土壤微生物群落能对气候因素产生差异化的响应。为了了解微生物生物量、细菌和真菌多样性，以及群落组成随海拔梯度的变化规律，本论文对太白山的大海拔梯度和大气候梯度下的微生物多样性组成谱的垂直分布模式开展研究。
研究目的
本研究的目标如下：
（1） 了解微生物生物量是如何响应海拔梯度的；
（2） 比较微生物群落的多样性和组成结构对海拔梯度的响应；
（3） 评价海拔梯度影响下，土壤微生物群落与植物和土壤特征关系。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V4区+真菌ITS1区测序
实验对象：太白山不同海拔高度的土壤样本
实验设计：2016年8月，在太白山北坡，沿4个海拔高度，每个大约相差700米，平均海拔1364、2060、2742、3320米处进行了调查和采样。此实验旨在覆盖四种植被类型（槲栎群落、栎栎群落、冷杉群落、落叶松群落）和三个气候区（暖温带，寒温带和高山寒带）。每个海拔高度设计了三个独立的复制点（每个高度为50×50 m）。每个地点随机选取10个1×1m的植被取样点，以测定Shannon-Wiener多样性指数，草地生物量（GB），胸径（DBH），树冠密度（TCD），灌木冠密度（SCD）和草地覆盖度（GC）。
研究结果
1. 植物和土壤特征变化
高海拔梯度影响了植物和土壤的属性，但表现出了不同的效果。对于植物特征，胸径（DBH）和灌木冠密度（SCD）在低海拔高温度的地区较高。植物Shannon指数（林下草本层）在中等海拔和冷暖温度下较高，而草地覆盖度和生物量随海拔高度显著增加（P <0.01）。对于土壤特征，土壤温度随海拔的增加而显著降低（P <0.01）,在高海拔（温暖）和低海拔地区（高山寒冷地带）分别为6.90-16.50。土壤湿度随着海拔高度的增加而增加（P <0.01），在高海拔和低海拔地区的土壤湿度从21.60%-52.70%不等。低海拔土壤容重比高海拔土壤容重高，且海拔高度对土壤容重有显著影响（P <0.01）。然而，海拔梯度对C:N比、NH4+和NO3 -没有显著影响，对土壤pH有轻微影响。此外，低温下中等海拔高度土壤微生物量碳氮含量较高，与草生物量和土壤碳氮含量呈正相关。
2. 海拔梯度对微生物多样性的影响及其对植物和土壤属性的响应
海拔梯度对土壤细菌Alpha多样性有显著影响，但是真菌影响较弱。细菌Alpha多样性在中等海拔较高，而在低海拔和高海拔较低，范围在4.80-6.40；真菌Alpha多样性范围在1.98-3.52之间。用非度量多维尺度分析（NMDS）和ANOSIM分析来衡量菌群的Beta多样性，发现海拔梯度对细菌群落整体结构的影响（ANOSIM，R=0.998，P <0.01）大于真菌群落（ANOSIM，R=0.843，P <0.01）。此外，细菌群落的Alpha多样性（Shannon指数）与植物Shannon-Wiener、生物质氮、SOC和TN显著相关；土壤细菌群落Beta多样性（NMDS1）与GB、DBH、TCD、GC、pH、ST和SM显著相关。然而，土壤真菌群落的Alpha多样性（Shannon指数）受植物和土壤属性的影响较弱，其Beta多样性（NMDS1）受叶碳、NO3-、BD、ST和SM的影响则较强。
细菌和真菌群落Alpha多样性（Shannon指数）沿海拔梯度的变化规律
土壤细菌（a）和真菌（b）群落Beta多样性沿海拔梯度的变化规律
3. 海拔梯度对微生物群落组成的影响及其对植物和土壤属性的响应
在细菌群落中，占优势地位的门（相对丰度>1%）是Acidobacteria、Proteobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi、Gemmatimonadetes、Nitrospirae、Planctomycetes、Verrucomicrobia和Bacteroidetes门，所占比列依次为27.67%，29.78%，13.88%，6.67%，6.21%，5.83%，1.59%，2.24%和1.99%。值得注意的是，除了Verrucomicrobia门，细菌其他优势门丰度都受到海拔梯度的显著影响。在真菌群落中，所有样品里占优势的门分别是Basidiomycota、Ascomycota和Zygomycota，丰度分别为85.92%，9.51%和3.63%。进一步分分析发现Agaricomycetes是优势纲，在真菌所有的纲中占90%以上。
冗余分析（RDA）显示，细菌和真菌群落不同分类水平（门、纲、目）对植物和土壤属性变化有不同响应。结果表明，植物的属性，尤其是草生物量，对土壤细菌群落的组成有很大的影响，但对真菌群落的组成没有显著响。土壤属性，特别是土壤温度和湿度，是造成细菌群落组成变化的主要原因。
微生物群落Apha多样性、Shannon指数、Beta多样性（NMDS1）和植物、土壤特征的Spearman等级相关分析
细菌和真菌群落的物种组成沿海拔梯度的变化规律
冗余分析（RDA）排序图，以表征微生物（细菌和真菌）分类水平（黑色箭头）和植物和土壤特征之间的关系（红色箭头）
总 结
本研究表明，海拔梯度在很大程度上引起了微生物生物量、多样性（细菌多样性）和群落组成的剧烈变化。土壤微生物生物量动态反映了植物——土壤生态系统沿海拔梯度的碳氮含量的变化；然而，它对植物性状的反应不同。通过对群落多样性模式的分析表明，在中等海拔地区，细菌群落的Alpha多样性较高，并且沿海拔梯度发生的变化大于真菌群落；这些差别反应主要取决于植物多样性、SOC和TN的动态。微生物群落组成的变化，尤其是细菌组成的变化，主要是依赖于沿着海拔梯度的SM和ST。本研究结果强调了微生物群落在自然生态环境下的不同响应模式，为深入理解微生物多样性及其在气候变化中的生态作用和系统性演替奠定了基础。
文章索引
Chengjie Ren, Wei Zhang, ZeKun Zhong, Xinhui Han, Gaihe Yang, Yongzhong Feng, Guangxin Ren (2018). Differential responses of soil microbial biomass, diversity, and compositions to altitudinal gradients depend on plant and soil characteristics. Science of the Total Environment 610–611 (2018) 750–758.
