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摘要：本研究基于土壤微生物在碳（C）和氮（N）循环中的关键作用，通过宏基因组测序等方法，分析草地恢复后表层土壤中微生物群落组成及功能基因的变化，探讨草地恢复过程中微生物功能基因与其生态策略之间的关系。结果显示，草地恢复促进了微生物从寡养型向富养型的转变，富养型微生物的相对丰度增加，而寡养型微生物减少。
关键词：草地恢复；土壤微生物
文章信息
译名：草地恢复过程中土壤微生物群落及其功能基因
发表时间：2022年10月
期刊影响因子：8
第一单位：西北农林科技大学资源与环境学院
通讯单位：西北农林科技大学资源与环境学院
文章亮点
1.将土壤微生物的功能基因与其生态策略相结合，探讨了草地恢复过程中微生物生态策略的变化。
2.研究通过宏基因组技术分析，发现草地恢复初期和恢复后期，微生物功能基因的主成分，显示出微生物功能基因在草地恢复过程中的显著动态变化。
3.研究表明，土壤微生物生物量C和N及其获取酶是微生物功能基因变化的主要驱动因素。
文章简介
1 研究意义
本研究旨在探讨草地恢复过程中土壤微生物群落组成及其功能基因在C和N循环中的变化，通过宏基因组测序等方法，发现草地恢复促进了微生物从寡营养向富营养群体的转变，揭示了微生物功能基因与生态策略的关系。本研究开创性地将土壤微生物的功能基因与生态策略相结合，揭示了草地恢复过程中微生物群落如何适应环境变化，为草原恢复生态学领域提供了新的见解。2 研究方法
2.1研究区概况
本试验在黄土高原云雾山自然保护区进行。海拔1800
m至2100
m，年平均气温7.0℃，降水量400-450
mm，降水量的60-75%集中在7 - 9月。年平均日照时数约2500 h，无霜期约137 d，年蒸发量1017-1739 mm。当地土壤被归类为石灰性褐土。该地区的草原退化是由过度放牧、土地耕作以及过度收割干草造成的。1982年后，为了保护草原资源，大片退化的草原被封闭。不同年份恢复的草地形成了恢复的时间序列。表1显示了草地恢复过程中主要植被群落组成的变化。![]()
2.2试验设计
2019年8月，在恢复不同年份（1、5、10、15、25和30年）的每个样地选择三个40×60 m2的地块，每个地块之间的最小间距为100 m。在每个地块内随机选择3个1×1
m2的重复子地块进行土样采集。在每个小区内用探针取样器在0-10
cm深度随机采集3个直径为5 cm的土样，并将这些土样混合成一个土样。每个样品均用2
mm的筛网过滤以去除根部和碎屑。土壤样品用于分析土壤微生物群落（在-80
℃下储存）、微生物生物量、有效养分和胞外酶活性（在4
℃下储存）、土壤理化参数（风干研磨并用2
mm筛网过滤）。3 研究结果
根据16S和ITS rRNA基因拷贝，在97%的相似性水平上对细菌总序列进行分类后发现，放线菌门、酸杆菌门和变形菌门是主要的细菌门类（相对丰度超过5%）。放线菌、拟杆菌和嗜酸菌在恢复30年后的相对丰度最高，而酸杆菌、浮游菌和绿弯菌在恢复1年后的相对丰度最高，随后随着恢复年限的增加而逐渐下降。对于真菌而言，子囊菌门、担子菌门和壶菌门是优势门类。在土壤真菌中，担子菌门在恢复1年时具有较高的相对丰度，但随着恢复年限的增加而逐渐下降；与此同时，子囊菌门的相对丰度则表现出相反的变化趋势，即随着恢复时间的增长而上升（图1）。![]()
随着时间的推移和生态系统的逐渐恢复，研究观察到，在C降解基因中，活性碳降解基因（如amyA、amyX、abfA、apu、sga）的相对丰度增加，而惰性C降解基因（包括pgu、glx、lig、mnp）的相对丰度降低（表S4）。碳固定基因accA、aclB、acsA和rbcL以及acsB和smtA的相对丰度随恢复年限的增加逐渐降低（表S5）。![]()
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在N循环基因中，氮固定（nifH）和硝化作用（如amoA、hao）的相对丰度随恢复年限逐渐降低，而反硝化相关基因（nosZ、nirS、narG、napA）的相对丰度随恢复年限逐渐增加（表S6）。![]()
通过热图揭示功能基因的相对丰度与土壤的非生物和生物因素之间的潜在联系。研究发现，amyX、abfA和pgu的相对丰度与土壤pH和NAG呈正相关，与SM、SOC和MBC呈负相关。相反，aclB、acsA、mct和rbcL的相对丰度与土壤pH和NAG呈负相关，与SM、SOC和AG呈正相关。氮循环基因组中，nosZ、amoA和nifH的相对丰度与土壤pH、SOC和AG呈负相关，与SM、TN、MBN和NAG呈正相关（图3）。![]()
此外，观察到与C、N循环相关的功能基因的丰度与相应的酶活性（C获得酶和N获得酶）之间存在很强的相关性（图4）。![]()
生物因子解释的C、N循环基因组的总方差高于非生物因子，且总方差随恢复年份的增加而逐渐增大（表3和表4）。![]()
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4 讨论
本研究发现寡营养类群随恢复年限减少，而富营养类群则逐渐增加，草地恢复导致了微生物从寡营养类群向共营养类群的转变。养分限制理论用来解释碳循环基因相对丰度变化，土壤养分有效性对土壤微生物群落的生长有一定的限制，恢复后期土壤养分充足，微生物更容易获得养分，从而导致C分解基因丰度的增加。氮硝化相关基因和氮固定相关基因的相对丰度随着恢复年限的增加而减少，而反硝化相关基因的丰度随着恢复年限的增加而增加。此外本研究建立了一个框架，该框架表明，草地恢复促进了植物生长，增加了地上部植物生物量和根系生物量，从而增加了对土壤的碳输入。这导致了土壤微生物结构和组成的变化，最终改变了微生物的生态策略和C、N循环过程（图5）。![]()
5 结论
根据研究，草地恢复过程中土壤微生物群落发生显著变化，主要表现为从寡营养型向富营养型群落的转变。在早期恢复阶段，土壤微生物表现出较低的繁殖率和较高的存活率，具有较强的竞争力和稳定性（寡营养型群落），在后期恢复阶段，微生物更多地将能量用于繁殖而非生长，表现为较低的存活率和较高的繁殖率（富营养型群落）。此外，研究发现土壤中与C、N循环相关的功能基因动态变化与其生态策略密切相关。在草地恢复过程中，碳降解基因的丰度减少，而由于微生物生长速率的提高，易降解碳源基因的丰度增加。研究还表明，氮同化基因的丰度增加，这与恢复过程中微生物活动增强、代谢需求增大的情况相一致。Reference:
Liao, J., Dou, Y., Yang, X., et al. Soil
microbial community and their functional genes during grassland restoration[J].Journal of Environmental Management, 2022, 325, 116488.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.116488.
本期分享来自22级农艺与种业专业硕士研究生魏军鹏
