内蒙古白桦根际微生物和功能基因的分布格局及对环境条件变化的响应机制

Compared with the biodiversity research on the ground, the study of soil microbial diversity is very weak. It is difficult to reveal the interaction mechanism of biodiversity between ground and underground and the relationship between biodiversity and its function on the ecosystem level. The distribution pattern of rhizosphere microorganisms (fungi and bacteria) and functional gene and its response to the change of environmental conditions of Betula platyphylla, which has widely distributed in the Inner Mongolia area, will be researched used metagenomics and bioinformatics technology. The ectomycorrhizal fungi and rhizosphere soil microbial diversity will analysed by high-throughput sequencing technology. The rhizosphere microbial functional gene will detected by microbial functional gene chip technology. The rhizosphere soil microbial community functional diversity will analysed using Biolog-ECO plate technology. Combined with the diversity index and statistical software, the environmental ecological factors affecting the variation of microbial and functional gene diversity were analyzed. The results can not only clear the microbial diversity, distribution pattern and ecosystem function of mycorrhiza and rhizosphere of Betula platyphylla, it is more important to reveal the relationship between mycorrhizal fungi and soil micro ecology and the response mechanism of soil microbial community succession and functional genomics to the change of environmental conditions.

与地上生物多样性研究相比，目前土壤微生物多样性研究非常薄弱，难以揭示地上地下生物多样性的互作机制以及整合生态系统水平上生物多样性与功能的相互关系。本研究利用宏基因组学和生物信息学技术，选择在水、热、植被有明显过渡的内蒙古地区广泛分布的白桦(Betula platyphylla)为研究对象，采用高通量测序技术分析白桦外生菌根真菌及根际土壤微生物多样性；运用微生物功能基因芯片技术对白桦根际微生物功能基因进行检测；利用Biolog-ECO板技术分析根际土壤微生物群落功能多样性；并结合多样性指数及统计学软件等分析影响微生物及功能基因多样性变化的环境生态学原因。研究结果不仅可以明确白桦菌根真菌及根际微生物的多样性、分布格局及其生态系统功能，更重要的是揭示菌根真菌与土壤微生态的关系以及土壤微生物群落演替及功能基因组对环境条件变化的响应机制。

本研究以内蒙古地区广泛分布的白桦（Betula platyphylla）为研究对象，采用高通量测序技术分析了白桦根际微生物多样性和群落结构。共获得604个外生菌根真菌OTUs，隶属于2门、5纲、14目、29科、51属，其中红菇属（Russula）、蜡壳耳属（Sebacina）和丝膜菌属（Cortinarius）是白桦的优势外生菌根真菌；共获得4257个真菌OTUs，隶属于14门、53纲、125目、276科、555属，其中红菇属、被孢霉属（Mortierella）和丝膜菌属是白桦根际土壤的优势真菌；共获得26328个细菌OTUs，隶属于40门、147纲、446目、800科、1406属。各样地的外生菌根真菌、真菌和细菌的群落结构均有显著差异。利用R语言，结合RDA和SPSS等方法分析了影响微生物群落结构的环境生态学原因，土壤有机碳、土壤电导率、速效钾和土壤含水量对真菌的分布有极显著影响；年平均降水量、有效磷、土壤电导率、年平均温度和土壤氮含量对细菌的分布有极显著影响；土壤有机碳、年平均降水量、年平均温度和速效钾对外生菌根真菌的分布有极显著影响。利用Biolog-ECO板技术分析了土壤微生物群落功能多样性，主要以糖类和羧酸类碳源利用为主。对微生物群落功能的FUNGuild和PICRUSt预测分析表明，外生菌根真菌群落共被注释到5条MetaCyc一级代谢通路和26条二级代谢通路，前体代谢物和能量产生中呼吸代谢功能占主导地位；真菌群落共被注释到5条MetaCyc一级代谢通路、27条二级代谢通路，脂肪酸和脂质生物合成功能占主导地位；细菌群落共被注释到7条MetaCyc一级代谢通路、50条二级代谢通路，生物合成中氨基酸生物合成、辅因子电子受体和维生素生物合成、脂肪酸和脂质生物合成、核苷和核苷酸生物合成功能占主导地位。研究结果揭示了跨气候带土壤微生物群落演替对生态环境条件变化的响应机制。