根瘤菌-刺槐共生固氮体系驱动的土壤剖面微生物群落结构时空演化和形成机制

Robinia pseudoacacia is considered as the one of the top 100 worldwide woody plant invaders, also is one of the main tree species of afforestation, it has been widely planted on the Loess Plateau and was used in soil and water conservation and restoration of degraded soils. Effects on microbial ecology and nutrients cycle by leguminous invader-rhizobia symbionts were rarely involved in severely eroded and degraded soil ecosystems. In this study, we will illustrate the following questions use 16S rDNA taxonomic analysis, symbiotic genes type, Illumina MiSeq sequencers, microbial metatranscriptome, realtime PCR of related functional genes. This project will be carry out to investigate the microbial community structure and succession based on long time-scales and soil depth-profile in the process of Robinia re-vegetation, to study relationship population between distribution of microbial community, soil enzyme activities related to soil organic carbon, nitrogen and mineral nutrients, to reveal the formation mechanism of soil microbial community and the cycle of soil nutrients driven by the system of Robinia-rhizobia symbiotic nitrogen fixation, and to reveal the eco-evolutionary dynamics and adaptive strategies of Robinia invader were analyzed based on the structures, functions and succession of microbial community, and soil factors. All results will provide a new model to study the relationship between the environment, plant and rhizobia. Furthermore, it will provide us theories and methods for the restoration and management of degraded soil ecosystems.

刺槐是全球百种入侵木本植物之一，在我国作为主要的造林树种，广泛用于黄土高原地区水土保持和退化土壤修复中。本项目将从外来入侵植物刺槐与根瘤菌的共生进化关系及其对土壤微生物群落与生态功能的影响出发，采用Miseq测序技术、土壤微生物元转录组、功能基因定量分析等技术，在时间和空间上，研究刺槐与根瘤菌共生固氮体系的共生固氮类型、共生进化关系和种群分布，研究不同年限刺槐林土壤剖面微生物群落结构组成和演替，分析土壤修复中土壤微生物关键种群与有机碳、氮、矿物营养之间空间分布特征及其相互关系，揭示共生固氮体系驱动的土壤剖面微生物群落结构的形成机制、时空演化、功能变化及规律，阐明共生体系驱动的C、N、P等肥力因子形成和循环机理，从微生物和土壤环境因子的角度揭示外来植物的生态环境适应性，为进一步研究根瘤菌-宿主-环境之间的相互关系提供新的模式，为退化土壤生态系统的修复和管理提供理论依据。

土壤微生物在陆地生态系统服务和功能方面发挥重要作用。但是，在退耕还林过程中，土壤表层及深层微生物的装配模式及其对土壤养分循环的贡献尚不明确。本项目以退耕还林30年的刺槐林为研究对象，通过高通量测序的方法，分析了刺槐树干不同水平距离（0-90 cm）和不同深度（0-300 cm）的土壤细菌、古菌和真菌群落组装、结构以及影响因素；研究了土壤微生物群落在精细尺度上的时空分布格局；分析了再造林生态系统中土壤多种养分循环的潜在驱动力；研究了我国农田土壤生态系统中微生物多样性对刺槐入侵和非生物干扰的响应；同时分析了刺槐与根瘤菌共生固氮体系的共生固氮类型和共生进化关系。结果发现：在退耕还林过程中，土壤剖面细菌群落相似度的垂直距离衰减速率逐渐降低，而古菌和真菌逐渐增加；土壤微生物群落的剖面变化取决于土壤理化性质的改变，而土壤微生物群落的水平变化受植物根系梯度分布作用驱动；古菌和细菌群落多样性分别对浅层和深层土壤养分循环发挥重要作用，其中，不同微生物类群参与土壤特定养分的循环，同时发现不同土壤微生物群落组装过程的变化，扩散限制起着显著的作用，在自然恢复过程中土壤微生物多样性的增加主要是由于微生物的随机流入和扩散引起的。其次，发现刺槐入侵和污染胁迫可显著改变微生物群落结构与多样性，并且微生物群落之间的差异随空间距离增大而增大，土壤因子（确定性过程）对群落组装的影响大于地理因素（随机过程）的影响。另外，与原位土每个层次相比，种植刺槐后土壤中总氮的含量上升，C:N比降低，在0-100 cm土壤分离到的根瘤菌数量最多，主要为中慢生根瘤菌属，且具有较强专一性共生基因。本项目揭示了共生固氮体系驱动的土壤剖面微生物群落结构的形成机制、时空演化、功能变化及规律，系统阐述了在退耕还林过程中，细菌、古菌和真菌以不同的响应模式参与土壤深层养分循环，从微生物和土壤环境因子的角度揭示外来植物对生态环境的影响，为退化土壤生态系统的修复和管理提供理论依据。