高寒草甸土壤微生物群落响应气候变化的微观机制

The Tibetan Plateau is one of the regions that are most sensitive to climate changes, rendering it a key region for research. Soil plays an important role in earth's biogeochemical cycles because it is the most important terrestrial carbon and nitrogen pools, which are far more than those in the atmosphere or aboveground vegetation. However, due to extremely high soil complexity and limitations of survey tools, it remains little understood how microbes respond and feedback to climate changes. This project targets this knowledge gap by three strategies (temperature gradient, soil transplant and time gradient). Advanced metagenomics tools of Illumina sequencing and GeoChip, combined with geochemical analysis methods, are adopted to analyze soil microbial communities of alpine meadow. We will analyze the impact of climate change on soil microbial community structure and ecological functioning, identify the linkages between the structure and function of microbial communities at the various levels of genes, bacteria, flora, communities, ecosystems, reveal the interaction of microbial communities and vegetation, the carbon and nitrogen cycles, and consequently provide a scientific basis for conservation and management of alpine meadow biodiversity.

青藏高原是对全球气候变化反应最敏感的地区之一，也是相关研究的关键地区。土壤是陆地生态系统最重要的碳库和氮库，储量远高于大气和植被，在地球的碳氮循环过程中起着举足轻重的作用。但是由于土壤微生物群落结构的复杂性及其相应分析技术限制，目前科学界对微生物响应全球气候变化的微观机制了解不多。本项目采用温度梯度、土壤移栽、时间梯度等多种方法研究气候变化，利用Illumina和基因芯片等宏基因组学技术，结合地质化学分析等方法分析青藏高原高寒草甸土壤生态系统多样性。集中探讨气候变化对土壤微生物群落结构以及生态功能的影响，从基因、菌种、菌群、群落、生态系统等多个层面上识别微生物群落结构和功能之间的关系，揭示土壤生态系统与地表植被、碳氮循环的相互作用，为高寒草甸的生物多样性保护和生态系统合理管理提供科学依据。

微生物是生物地球化学循环的关键驱动者。然而在我国草原生态学研究中，尚没有系统的基于物种分类和功能基因的微生物群落组成和多样性时空变异的数据。更不清楚驱动微生物群落变化的关键因子及其对气候变化的响应机制。本项目结合样带微生物调查与野外控制实验，利用Illumina高通量测序和基因芯片技术研究了青藏高原土壤微生物群落特征及其对气温和降水变化的响应特征，得到了以下主要结果：不同海拔的微生物群落差异明显，微生物功能基因对气候变化响应敏感，气温或者降水改变使得土壤微生物功能基因结构或细菌物种组成都发生了变化；在高寒草甸中，碳固定基因、氨化和反硝化基因丰度都在增温后降低，使土壤碳氮储量保持相对稳定；但硝化基因丰度在增温后升高，且N2O排放量与硝化基因amoA丰度显著正相关，与反硝化基因nirS和norZ成负相关，该生态系统硝化作用是N2O排放的主导过程；降温对微生物功能基因结构的改变与土壤湿度显著正相关；青藏高原高寒草甸土壤微生物功能基因的变化能够解释受微生物驱动的土壤功能过程并应用于青藏高原土壤碳库模型，结合微生物、植物与土壤数据所构建的模型显示，微生物对青藏高原高寒草甸土壤CO2通量的贡献至少达到37%，对CH4通量的贡献高达80%。本研究深入探讨了微生物群落对气温和降水变化的响应机制，为土壤温室气体通量变化提供了机理解释，也为土壤温室气体排放、碳库模型的改进提供了重要线索。