利用历史风干土样反演土壤微生物群落结构与活性的研究

Soil microbes are fundamental components of terrestrial ecosystems. They play dominant roles in essential ecological process and in the responses and feedbacks of diverse ecosystems to global changes. Soil microbes respond dynamically to environmental changes as the degree and even the direction of responses may vary with time. However, the lack of long-term research and monitoring data seriously constrains our understanding of the long-term response and the underlying mechanisms of soil microbes to environmental changes. This project aims at solving the bottleneck problem by exploring the large reservoirs of air-dried historical soil samples all around the world. Using modern molecular biotechnologies, we are to systemically study the effects of soil drying and storage on soil microbial community structure and activities. The project will address the following important methodological issues. Which indexes are applicable in retrieving original information of soil microbes? Does the fidelity period of diverse indexes differ from each other? To which degree do the air-dried soil samples preserve the original information of soil microbes? To which degree can the treatment effects be reserved in air-dried historical soil samples? Do different treatments have different fidelity degrees in inversion of original information? Is there information that can be faithfully preserved in long time? Or is there time limit of air-dried soil storage in terms of retrieving original information of soil microbes? The results of this project are expected to construct solid basis for utilization of historical soil sample to study long-term responses of soil microbes to environmental changes and human activities. Furthermore, the project will clarify the dynamic pattern and its mechanisms of long-term responses to fertilization and crop rotation by microorganisms in typical grey desert soil.

土壤微生物主导和参与许多重要的生态过程，在调控生态系统与全球变化的关系中起着关键作用，其对环境变化的响应方向、程度等随时间变化而变化。由于长期动态研究和观测数据缺乏，严重制约了对环境变化下土壤微生物的长期动态及其机理的认识。针对这一研究瓶颈，本项目拟发掘长期定位试验中保存的大量历史土样的价值，通过现代分子生物学技术，系统研究土壤风干过程及不同保存时间对表征土壤微生物群落结构和活性的各种指标的影响，明确哪些指标可用于反演土壤微生物的原初状态？各指标的信息保真期长度如何？风干保存土样能在多大程度上反映土壤微生物的原始状态？试验处理的效应能在多大程度保存下来？不同处理效应的信息保存的程度和失真度是否一致？是否存在可长期保存的特定信息或可反演的极限保存时长？等方法学关键问题，为充分利用历史土样研究土壤微生物生态学提供基础。在此基础上阐明灰漠土土壤微生物对施肥和轮作处理的长期动态响应。

微生物对土壤的多功能性起着重要的作用，但土壤微生物群落结构的时间动态研究却是十分匮乏的。借鉴动植物学研究的经验，历史存档的风干土壤为解析土壤微生物的长期动态变化过程提供了可能。然而，风干过程中微生物群落结构变化的不确定性是一个长期存在的问题、并没有得到充分的解析。本课题的研究目标是揭示风干过程中微生物群落结构变化的时间动态规律，建立一种比较新鲜土壤和风干土壤微生物群落结构的方法，用于反演来自历史存档风干土壤的微生物群落结构对长期处理及环境变化的响应。本研究从国家褐潮土土壤肥力与肥料效益长期监测基地采集五个施肥处理的新鲜土壤，在特定的风干时间（0 h、1 h、2 h、4 h、8 h…和8192 h）采集风干土壤并且保存到-80℃冰箱，通过qPCR和16S rDNA测序对土壤微生物群落结构进行了测定。结果表明，原核微生物、真菌和氮功能微生物的绝对丰度在大部分风干时间内无显著变化。微生物群落结构的聚类主要依赖于处理而非风干时间，即使在风干保存后也能反映原始的处理效果。根据五种处理对风干时间响应的不同，可以将微生物划分为四类：高度稳健型、中度稳健型、中度敏感型和高度敏感型。在门水平上，72%的微生物属于稳健型。其中放线菌的相对丰度与风干时间呈显著正相关（r = 0.79 - 0.91, p < 0.01），而硝化螺菌门和变形菌门的相对丰度呈显著负相关。根据相对丰度与风干时间的关系，建立了相对丰度的预测方程。除此之外，我们还在全国选择了34个样点，用于验证实验结果的普适性。这些结果表明，历史存档的风干土壤可以用来反演土壤微生物的群落结构。通过建立的反演模型，可以预测土壤中微生物的相对丰度。这为定量研究土壤微生物群落对环境变化的长期响应、适应和反馈提供了前景，对微生物学和微生物生态学的研究是一个福音。