导 读
南京土壤研究所等在极端干旱土壤微生物反硝化潜力研究方面取得进展等5则进展。
来源:南京土壤研究所网站
南京土壤所等在极端干旱土壤微生物反硝化潜力研究方面取得进展
阿塔卡马沙漠(Atacama Desert)是地球上最古老的沙漠,由于其极端干旱的条件,也被认为是陆地生物圈中对生命活动最不利的环境之一,是地球上最类似火星的地方。另一方面,阿塔卡马沙漠深层土壤中含有世界上已知的最大的硝酸盐存储量,目前对这样极端的土壤在遭遇极端降雨等变化时,是否能进行反硝化作用并释放N2O等温室气体还不清楚。
为了回答这个问题,中国和德国研究团队共同努力,沿着阿塔卡马沙漠的干旱梯度对土壤进行取样,并利用旱地反硝化过程全自动土壤培养系统(Robotized continuous Flow incubation system)在线监测了不同土壤的反硝化过程,研究了4个连续事件(添加水、硝酸盐、可利用碳(葡萄糖)和氧耗竭)对土壤N2O和N2排放的影响。结果发现,添加水和硝酸盐后可以检测到极低的N2O通量;而添加葡萄糖后,所有土壤都存在明显的N2O和N2排放;在氧耗竭条件下,N2的排放显著增加,N2O的排放随之减少,表明不同干旱程度的土壤均具有完全反硝化的潜力。尽管极端干旱显著降低了土壤细菌的丰富度,但反硝化微生物潜力和相关基因丰度(napA、narG、nirS、nirK、cnor、qnorB和nosZ)没有显著差异。利用15N-N2O同位素异位体的位嗜值技术(15N-N2O site-preference SP approach)进一步检测N2O产生的来源,发现在干旱程度较低的土壤中,真菌反硝化作用和细菌反硝化作用共同产生N2O,随着干旱程度的增加,细菌反硝化作用逐渐占据主导。因此,即使在极端干旱的阿塔卡马沙漠,微生物丰富度显著降低,但由于存在巨大的微生物功能冗余,土壤反硝化功能可完整保存,反硝化潜力在条件适宜时可完全恢复。未来土地利用的变化或极端气候事件有可能使该地区巨大的硝酸盐储量不稳定,并可能造成可观的N2O排放。
该研究结果发表在Soil Biology and Biochemistry,研究得到德国DFG、英国自然环境研究委员会、中国国家自然科学基金项目的资助。
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071721001218
阿塔卡马沙漠超干旱梯度5个地点的土壤平均日N2O (a)和N2 (b)排放量
反硝化过程中δ15Nsp和δ18ON2O的关系(a)和不同阶段的细菌反硝化产生N2O的贡献率
阿塔卡马沙漠超干旱梯度5个地点的土壤优势细菌的相对丰度
南京土壤所在高山林线土壤功能真菌多样性维持机制方面取得进展
高山林线是由低温、强风等条件阻碍而形成的从郁闭森林到树木物种线的过渡地带,是响应气候变化的敏感区和预警器。长白山岳桦林是东北亚保存最为完整的高山林线之一。外生菌根植物岳桦(Betula ermanii)延绵分布于垂直落差430米的长白山森林上界。每棵岳桦树木如同独立的“岛屿”,而种类多样的外生菌根真菌则为“岛上居民”。这些外生菌根真菌共存在岳桦细根和邻近土壤中,不仅帮助幼苗定植,而且赋予植物抗压抗逆特性,决定了高山林线的地表景观和群落动态。然而,我们对高山林线生态系统中外生菌根真菌多样性的分布格局和维持机制仍不清楚。
为此,南京土壤研究所褚海燕课题组以长白山岳桦林为研究对象,沿海拔梯度同时采集了168份岳桦细根和土壤样品,根据Janzen在1968年提出的“树岛”概念,检验岛屿生物地理学理论对高山林线外生菌根真菌多样性的预测效力,回答外生菌根真菌多样性是否随树木胸径(表征岛屿面积)的增加和离森林边界距离(表征岛屿隔离程度)的减少而增加的科学问题。此外,同时检验了生物互作效应,探究了同一生境下其他优势功能真菌多样性(如内生真菌、腐生真菌)是否对外生菌根真菌多样性产生显著影响。
借助于整合模型的思路框架(结构方程模型)以及多模型的比较(最小二乘多元回归模型、偏最小二乘回归模型、方差拆解模型),发现岛屿生物地理学理论的各要素对外生菌根真菌多样性均有重要影响:外生菌根真菌多样性随树木胸径增加而增加,随离森林边界距离增加而减少,并随细根碳含量(表征岛屿能量)增加而增加。此外,在整合模型中,腐生真菌多样性对外生菌根真菌多样性有着极强的直接促进效应。以上结果验证了岛屿生物地理学理论能够很好地解释土壤功能真菌的分布规律,同时也阐明了腐生真菌与外生菌根真菌多样性间的正向耦合关系,暗示了外生菌根真菌源起腐生真菌的独立进化事件。
该研究成果发表在ISME Communications上,杨腾副研究员和褚海燕研究员分别为论文第一作者和通讯作者。论文也被Nature Community Microbiology进行了报道。研究得到了国家自然基金青年基金项目、国家重点研发计划项目等资助。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s43705-021-00015-1
报道链接
https://naturemicrobiologycommunity.nature.com/posts/decipher-the-code-of-ectomycorrhizal-fungal-distributions-along-the-timberline-the-roles-of-island-effects-and-biotic-interactions
整体研究思路框架(包括结构方程理论模型、多生态理论/假说和相关要素)
细根和土壤外生菌根真菌多样性的最佳结构方程模型(各预测因子的作用强度以标准化的路径系数为加和,展示于表格中。SAP.D:腐生真菌多样性,DFE:离森林边界距离,DBH:胸径,RTC:细根碳含量,ECM.D:外生菌根真菌多样性)
南京土壤所关于水稻土秸秆降解微生物研究取得进展
地球每年产生大量的植物残体,这些外源有机物质的分解在陆地生态系统碳平衡和伴随的全球变化中起着关键作用。微生物是植物残体降解的主要驱动力,后者的命运在很大程度上取决于微生物群落的生态(即群落组成和物种间相互作用)和生理(即编码的酶及其生物化学过程和途径)特性。此外,环境条件(例如土壤肥力)可以通过改变微生物群落来影响植物残体的降解,因此物种的生态生理重要性随环境变化而有所不同。
放线菌(Actinobacteria)是土壤中分布最广泛的一类细菌,以其卓越的植物残体降解能力而被广泛关注。然而,目前关于放线菌降解植物残体的研究主要是基于纯培养生理层面,且只有部分可培养放线菌被关注。原位条件通常与实验室条件不完全相同,现有研究难以全面、原位反应放线菌在植物残体降解过程中发挥的生态生理的重要性。因此,关于放线菌在不同环境条件下原位降解植物残体的生态生理作用的研究需要深入和验证。
在中国科学院南京土壤研究所研究员李忠佩、林先贵主持的国家自然科学基金重点项目“亚热带典型水稻土中秸秆降解的微生物代谢网络及其驱动机制(41430859)”资助下,冯有智研究员团队以水稻秸秆为研究对象,一是通过秸秆原位埋袋降解实验结合扩增子测序技术,研究了放线菌群落和功能组成的时空变异特征,分析了放线菌和其他优势细菌类群在不同环境下的网络互作关系;二是利用13C-秸秆稳定性同位素标记(DNA-SIP)实验结合宏基因组测序技术,明确了放线菌秸秆降解功能的时空稳定性及其在不同环境下的生态生理重要性。
主要研究结果表明:(1)放线菌“小个子也有大能量”。13C-秸秆DNA-SIP宏基因组数据表明:尽管放线菌平均相对丰度仅占总细菌丰度的5%左右,其基因组中CAZyme酶编码基因平均相对丰度却高达16%。将优势细菌基因组中的CAZyme酶编码基因丰度进行均一化处理,结果表明放线菌基因组中编码的CAZyme酶基因平均数量较高。与之相反,秸秆降解过程中的优势物种,例如变形菌门(~37.3%),其基因组中携带的降解相关功能基因平均数量却较低。(2)放线菌秸秆降解的生态生理重要性。三个站点(重庆、常熟和鹰潭)原位秸秆降解细菌高通量测序结果表明:无论是在局域尺度(各站点内部)还是在区域尺度(跨站点间)下,放线菌相对丰度的变异性总体上均小于其他优势细菌,并且其携带降解相关的功能基因在“时间”和“空间”上保持相对稳定。进一步对秸秆降解过程中优势细菌群落和功能组成与秸秆化学组成进行拟合分析发现:随着秸秆化学成分的变化,放线菌群落组成和功能组成的相似性变异幅度均显著低于其他优势细菌类群(酸杆菌除外)。此外,DNA-SIP宏基因组数据进一步证实了放线菌秸秆降解功能的低时空变异性。上述结果暗示放线菌在秸秆降解过程中可能不容易受到环境因素的影响,而能发挥较稳定的降解作用。(3)放线菌秸秆降解生态生理重要性在低肥力土壤下提高。通过对三个不同肥力站点下秸秆降解细菌的分子生态网络分析发现:低肥力土壤下,放线菌和其他细菌之间的网络“正”、“负”连接数均高于高肥力土壤。对低肥力土壤下与放线菌相连的物种进行分析,发现其均具有秸秆降解能力。其中,低肥力土壤下较高的“正”连接数暗示放线菌可促进其他物种共同参与秸秆降解,而较高的“负”连接数暗示其可通过抑制其他物种与其竞争秸秆资源,进而提高放线菌在秸秆降解过程中的重要性。DNA-SIP宏基因组数据进一步表明,低肥力土壤下放线菌物种和功能的丰度显著高于高肥力土壤。低肥力下放线菌较高的抗生素合成基因暗示放线菌在该环境下可能通过合成抗生素抑制竞争者对秸秆资源的获取,从而提高自身在秸秆降解过程中的重要性;而较高的固氮基因暗示放线菌可能通过固定更多的氮供给自身和其他微生物利用,从而共同促进秸秆降解。这也解释了在低肥力土壤下放线菌和其他细菌之间的“正”、“负”连接数高于高肥力土壤的原因。
该研究明确了放线菌在原位环境下降解植物残体的重要生态生理作用,尽管放线菌丰度不占优势,但其基因组中却携带了大量和植物残体降解相关的功能基因,并且该重要性在低肥力土壤下更加显著。此外,在植物残体降解的整个过程中,放线菌物种组成和功能组成均保持相对较高的稳定性。该研究不仅有助于加深对放线菌在陆地生态系统碳循环中重要生态生理作用的理解,而且对秸秆资源化利用技术的研发也具有重要参考价值。
相关研究成果发表在微生物学领域期刊《Microbiome》上。
文章链接
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-021-01032-x
放线菌秸秆降解的生态生理重要性
南京土壤所在新型农药的土壤生态安全影响研究方面取得新进展
新型农药的应用正快速推进,但其生态安全性评价却相对滞后。以往开展农药的环境安全评价通常关注其在环境中的残留、移动、富集及其对陆地生物(一般是动物)的毒性与危害。然而,农药释放进入土壤后,对土壤微生物群落和生态功能产生何种影响,却一直未能得到足够重视和清楚认识,这严重影响了农药的生态安全性科学评价。以土壤微生物做为敏感指标,研究新型农药对生态环境的影响,将对正确理解新型农药的环境行为以及科学评价其生态安全性有重要的理论和实践意义。
中国科学院南京土壤研究所李忠佩研究团队围绕新型农药-氯虫苯甲酰胺(CAP)的生态安全影响问题开展了系列工作。首先选取我国亚热带三种母质发育的典型水稻土,设置不同施药水平,观测了CAP在不同土壤中的降解动力学特征,分析了其降解过程对土壤微生物群落和活性的影响。研究发现,较低施药量下(1mg/kg),降解初期CAP会抑制土壤基础呼吸、微生物代谢熵、酸性磷酸酶和蔗糖转化酶活性,并且对土壤微生物碳源代谢活性和细菌群落结构产生显著影响;但降解后期土壤微生物群落、活性和功能会逐渐恢复(Ecotoxicology and Environmental Safety,2017)。然而,高施药量(10mg/kg)下,CAP对土壤微生物碳源代谢和细菌群落结构则会产生较大和较长时间的影响,很难恢复(Science of The Total Environment,2018)。
上述研究虽然明确了CAP本身对土壤微生物群落的影响,但仍缺乏CAP降解产物影响的了解。对此,该研究团队首先通过HPLC确定了CAP降解过程中的两个主要转化产物,并通过半制备色谱分离纯化得到了两个转化产物Z1,Z2(图1),然后通过1H-NMR、13C-NMR、HRMS等谱图解析了他们的化学结构。随后,通过培养试验,比较了CAP、Z1、和Z2对土壤微生物群落的影响。研究发现,三者对土壤微生物群落均有潜在危害,但是他们对于土壤微生物的α-多样性、β-多样性、微生物共存网络的影响大小不同。其中,Z2对土壤微生物的影响更大,要大于CAP本身,而Z1的影响要小于CAP。因此,对新型农药的土壤生态安全评价不能忽视降解转化产物的影响。该研究结果已在线发表在Journal of Hazardous Materials(2021)上。
以上系列研究论文均以吴萌副研究员和李忠佩研究员分别为第一作者和通讯作者。研究得到了国家自然科学基金面上项目和青年基金项目资助。
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421012346
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969717330668?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0147651317303913?via%3Dihub
氯虫苯甲酰胺及其转化产物的风险评价
南京土壤所在盐渍农田真菌群落结构功能对障碍消减响应方面取得进展
土壤真菌在促进盐渍化农田生态系统碳氮循环、提升寄主作物耐盐抗逆能力中发挥关键性作用。改善真菌群落对促进土壤碳氮养分循环与周转、提升微生物同化固持、减少养分环境损耗具有重要意义。但是,针对盐渍农田长期的障碍消减措施对土壤真菌群落结构、功能的影响却鲜有报道。
中国科学院南京土壤研究所研究员杨劲松团队通过连续多年的田间原位试验,探讨了盐渍化农田土壤真菌群落结构、功能对盐碱障碍消减措施(种植灌溉、灌溉+氮肥、灌溉+腐殖酸)的响应规律。研究发现:(1)所有障碍消减措施均能降低土壤盐分并提高土壤有机碳(SOC)、微生物生物量碳氮(MBC,MBN)、真菌群落丰度和多样性,其中灌溉对群落丰度、多样性的贡献显著高于施氮肥与腐殖酸;(2)土壤真菌群落结构对障碍消减措施具有差异化的响应,灌溉显著提高Coprinellus、Mortierella、Conocybe的相对丰度,而施氮和腐殖酸显著提高Funneliformis相对丰度;(3)功能分类表明菌根真菌的相对丰度随灌溉而提高,随施氮而降低,同时施氮还显著提高内生、腐生和致病性真菌的相对丰度;(4)障碍消减措施通过降低土壤盐分、pH并提高真菌丰度、多样性指标,进而改变Coprinellus、Mortierella、Funneliformis菌属的相对丰度,直接或间接地促进土壤微生物量氮固持。该研究结果为解析盐渍化农田障碍生态消减和养分减损增效的物理-生物协同机制提供了一定理论依据。
该研究结果发表在Plant and Soil,姚荣江副研究员和杨劲松研究员分别为论文第一作者和通讯作者。研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等资助。
文章链接
link.springer.com/article/10.1007/s11104-021-04979-w
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