中科院安塞站揭示干旱对土壤微生物功能的影响机制

中科院安塞站揭示干旱对土壤微生物功能的影响机制

近日，中国科学院安塞站张超研究员在土壤微生物功能对气候变化响应研究中取得重要进展。研究团队通过宏基因组技术，系统研究了青藏高原自然干旱梯度沿线60个地点的土壤微生物特征，揭示了干旱对土壤微生物组的多样性和功能的影响，并提出了干旱阈值的概念。

众所周知，干旱加剧会影响土壤微生物组的多样性和功能，以及它们与生态系统功能的联系。高寒生态系统作为最脆弱的生态系统之一，面临着日益严重的干旱威胁。干旱是否会影响高寒生态系统中微生物-生态系统功能关系目前尚不清楚。

针对上述问题，研究团队利用宏基因组技术，系统研究了青藏高原自然干旱梯度沿线60个地点的土壤微生物特征，包括土壤微生物多样性、群落组成、互作网络特征以及功能微生物特征，并评估了它们与生态系统功能的关系。研究结果表明土壤微生物群落组成受到干旱的显著影响，细菌、真菌和原生生物的多样性沿着干旱梯度均呈现下降趋势。同时，在干旱环境中，微生物网络复杂性显著降低（例如，节点和边的数量减少，连接度、平均度、聚类系数和集中度均出现明显降低。在不同的干旱环境中，土壤微生物功能也发生了明显的变化，在更为干旱的环境中（＞0.6干旱水平），纤维素、半纤维素、几丁质、木质素和果胶降解相关的基因以及与反硝化相关的基因（例如，nosZ、nosZ-2、norB-cNor和norB-qNor）丰度明显增加。

研究表明在较湿润的环境（＜0.6干旱水平），植物多样性与土壤多功能性密切相关，植物生物量和土壤有机碳在调节微生物网络、多样性和功能等方面发挥着关键作用，并进一步影响土壤多功能性。而在干旱的环境中（＞0.6干旱水平），微生物多样性、复杂性和参与有机物分解和氮循环的基因（例如，酶活性、碳水化合物和氨基酸代谢、C降解基因）、土壤过程（例如，CO2和CH4排放、N矿化）和土壤多功能性密切相关。这些发现表明，在干旱的环境中，土壤微生物组在维持土壤多功能性方面可能发挥更大的作用。结果强调了微生物多样性和功能对干旱的阈值响应，并为气候变化影响干旱生态系统功能的机制提供了新的见解。

图1 干旱对高寒草地土壤微生物-多功能影响的研究概念模型

图2 土壤功能指数和多功能性对干旱增加的非线性响应。

图3 植物多样性（a）和微生物多样性（b）与干旱-土壤多功能关系的非线性变化及干旱阈值判定

该研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划和中国科学院西部之光基金的资助。相关研究成果已发表在Soil Biology and Biochemistry和mSystems等国际重要期刊上。

参考文献：

1. Aridity thresholds of microbiome-soil function relationship along a climatic aridity gradient in alpine ecosystem. Soil Biology and Biochemistry, 2024.03.07.
2. Simplified microbial network reduced microbial structure stability and soil functionality in alpine grassland along a natural aridity gradient. Soil Biology and Biochemistry, 2024.02.23.
3. Nitrogen enrichment stimulates rhizosphere multi-element cycling genes via mediating plant biomass and root exudates. Soil Biology and Biochemistry, 2024.01.02.
4. Effect of aridity on the -diversity of alpine soil potential diazotrophs: insights into community assembly and co-occurrence patterns. mSystems, 2024.01.01.