黑土農田氨氧化微生物和古菌的生物地理分布研究獲進展

微生物群落組成與多樣性的空間格局及對環境變化的響應研究，是揭示地球上生物多樣性產生和維持機制的前提。近年來，土壤微生物的分布格局及其驅動機制研究成為國際上的研究熱點。

中國科學院東北地理與農業生態研究所農田分子生態學科組科研人員對我國東北典型黑土農田樣帶細菌、真菌和酸桿菌地理分布格局進行了深入研究，取得了一批優秀的科研成果。在此基礎上，該組科研人員利用實時定量qPCR和高通量測序技術，進一步研究了黑土農田土壤古菌（Archaea）和氨氧化細菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）的群落結構和多樣性分布特徵及其驅動機制。

研究發現，亞硝化球菌（Nitrososphaera）和亞硝化螺菌（Nitrosospira）分別是黑土區農田土壤中參與氨氧化過程的主要AOA和AOB類群（圖1）。AOA的amoA基因丰度與土壤有機質含量顯著正相關，但與土壤pH不存在相關關係。與之相反AOB的amoA基因丰度與土壤pH顯著正相關，而與有機質含量不存在相關關係，說明AOA與AOB的生理特徵存在差異。AOA丰度與有機質含量顯著正相關的結果與AOA主要分布在貧營養環境的報道相悖，說明黑土中有一些與碳源利用相關的AOA類群數量會隨有機質含量增加而增加。群落結構分析發現，AOA較AOB在黑土帶上表現出更加明顯的地理分布格局，土壤pH是驅動兩類氨氧化微生物空間分布的主要因子。儘管黑土中AOA的amoA基因丰度明顯高於AOB，但相關分析顯示，AOB與土壤的潛在硝化速率關係較AOA更密切，表明AOB可能是黑土氨氧化的最主要貢獻者。

此外，針對古菌群落的研究僅檢測到三個門，其中奇古菌（Thaumarchaeota）數量最多，其次是廣古菌（Euryarchaeota），而泉古菌（Crenarchaeota）佔比非常小（圖2）。奇古菌中Thaumarchaeota group 1.1b是最主要分布類群，平均相對丰度為87.23%。鑒於Thaumarchaeota group 1.1b隸屬於Nitrososphaera類群，說明黑土農田土壤中的大部分古菌均參與了氨氧化過程。研究還發現古菌與細菌群落分布規律相似，均存在明顯的空間分布格局，土壤pH是驅動古菌群落分布的最主要土壤因子。

該研究成果於2018年和2019年先後發表在Frontiers in Microbiology上。研究得到中科院戰略性先導專項和國家自然科學基金項目的資助。

來源：中國科學院東北地理與農業生態研究所

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