论文部分内容阅读
全球气候正在发生变化,并给陆地生态系统带来巨大影响。土壤微生物是陆地生态系统地下部分物质和能量的驱动者,其响应是全面揭示全球气候变化对陆地生态系统影响不可或缺的组成部分。水稻土被公认为是研究土壤微生物的典型模式环境,其特点之一是厌氧环境,厌氧微生物起到发挥着主要生态功能。本研究基于中国FACE-CO2和FACE-O3平台,以两种典型厌氧微生物,紫色光合细菌(Purple phototrophie bacteria,PPB)和产甲烷古菌(Methanogenie archaea)为研究对象,系统研究了水稻土中PPB的功能,以及大气二氧化碳浓度升高和大气臭氧浓度升高对该两种厌氧微生物多样性的影响。我们创建了一套传统可培养和分子生物学相结合的研究方法,并引入稳定同位素探针(Stable isotope probing,SIP)和高通量基因测序(Pyrosequencing)等现代分析手段；结合改进的可培养技术、DNA指纹图谱和DNASIP,我们揭示了水稻土中PPB的功能；利用分子生物学技术和高通量基因测序技术揭示了大气二氧化碳浓度升高和大气臭氧浓度升高对PPB和产甲烷古菌多样性的影响。研究发现,水稻土中的PPB利用有机酸代谢生长,并且驱动着,自下而上的微生物食物网络(图1)。通过此物质和能量的传递,水稻土土壤肥力将得以更好的保持；结合可培养技术和分子生物学方法,研究发现大气二氧化碳浓度升高增加了水稻土中PPB的丰度和丰富度(图2)；与之相反,大气臭氧浓度升高下,因PPB代谢能力的下降(图3)而导致其丰度、占比和丰富度的降低(图4)；高通量基因测序发现,水稻土中优势的产甲烷古菌为乙酸型的鬃毛甲烷菌(Methansaeta,32％)(图5),大气臭氧浓度升高通过抑制水稻向土壤中碳源的输入从而减少了产甲烷古菌的数量和产甲烷活性(图6),改变了其群落结构(图7),最终会影响到稻田甲烷排放量。通过PPB和产甲烷古菌驱动的微生物食物网络,全球气候变化的影响将会转移给多个微生物营养层。该研究不仅为全面理解微生物驱动下的稻田土壤养分循环过程及其调控机制提供了重要科学依据,也有助于我们更好的了解全球气候变化对稻田生态系统的影响。