高寒草地土壤微生物漆酶基因多样性及其对土壤有机质转化机理的研究

Soil organic matter decomposition in alpine meadow is slow due to the low temperature on the Qinghai-Tibet plateau, while the speed would increase under the background of climate warming. Laccase could efficiently degrade lignocellulose material and finally affect carbon cycle process of the grassland ecosystem. However, it is still unclear the contribution of microbial laccase activity to soil organic matter (SOM) transformation and the mechanism. In this project, Different soil layers （0-15cm）and（15-30cm）of alpine meadow/alpine grassland ecosystem in the Sanjiangyuan regions and experiment stations will be collected to study 1) the spatial distribution pattern of bacterial and fungal laccase gene diversity and its controlling environmental factors; 2) the space-time distributionthe pattern of microbial laccase activity and response feature to Global warming; 3) the contribution of microbial laccase activity to SOM decomposition and accumulation processes, by using an integrated cultivation-dependent and -independent (metagenomic, qPCR and RT-qPCR) methods. The results will delineate the interaction mechanism between laccase-producing microorganisms and soil organic matter transformation under global warming background and provide scientific basis for regulation and management of degraded alpine meadow ecosystem.

由于受低温影响，高寒草地土壤有机质分解速率缓慢，但温室效应有可能加快有机质分解速率。漆酶能够高效降解木质纤维素类物质，直接影响草地生态系统碳循环过程，但目前为止对温室效应影响下高寒草地产漆酶微生物对土壤有机质转化的贡献和作用机制尚不明确。本研究拟采集三江源地区野外样点和定位站点草地不同土层（0-15cm）和（15-30cm）的土壤，通过高通量测序、实时定量PCR和反转录实时定量PCR技术结合实验室培养的综合手段，来探索并阐明以下几个科学问题：1）高寒草地土壤细菌和真菌漆酶基因多样性的空间分布特征及其影响因素；2）高寒草地土壤微生物漆酶基因多样性的时-空分布及其对温室效应的响应特征； 3）高寒草地土壤细菌和真菌漆酶对高寒草地土壤有机质分解和积累的贡献。研究结果将揭示温室效应下产漆酶微生物对高寒草地土壤有机质转化的作用机制，为调控退化高寒草地生态系统的恢复和治理提供科学依据。

[背景] 受高寒气候的影响，高寒草地土壤微生物活性低，处于休眠或半休眠状态，土壤有机质分解速率缓慢。土壤微生物的群落结构和功能直接影响着草地生态系统碳循环过程。但是对于高寒草地土壤有机质形成和周转等方面问题的认知却存在差异，微生物对土壤有机质转化的贡献和作用机制尚不明确。.[研究内容及方法] 围绕青藏高原三江源区高寒草地土壤微生物及其生态功能，采用微生物分离、高通量测序、基因芯片及生物信息学分析等技术，主要开展了：①三江源区高寒草地土壤产漆酶微生物菌株的分离、种类组成及鉴定；②不同类型和退化程度的草地土壤微生物群落结构、多样性以及与环境因子的关系；③模拟增温对土壤微生物群落结构及多样性的影响；④高寒草地土壤微生物漆酶对土壤有机质转化的贡献等方面的研究内容。. [结果] ①高寒草地土壤原核生物与真菌群落的多样性和群落结构的差异受到草地类型的影响，均与土壤pH和土壤含水率（SMC）具有显著相关关系。对原核生物群落结构影响较大的是植被盖度（CD），对于真菌群落结构影响比较大的是温度（MAT）。海拔对于该区土壤微生物群落的构建具有深远影响。②草地退化显著改变了土壤微生物α多样性，草地退化后原核生物中硝化类细菌的相对丰度增加，真菌中的病原型真菌的相对丰度增加。域间生态网络表明，牧草与部分细菌、古菌和真菌物种形成了复杂而稳定的生态网络，另外，牧草-微生物网络连通性与牧草生产力显著正相关，说明牧草与微生物网络共存模式对于牧草生产力具有正反馈作用。③ 青藏高原高寒草地原核生物群落和真菌群落对增温的响应存在差异，高寒草地土壤微生物群落和功能对增温、氮素添加和不同土层的响应和反馈，揭示了高寒草地模拟增温将消减两种不同形态氮素添加和不同土层对微生物群落和功能基因带来的差异。⑤产漆酶真菌Marasmius tricolor 310b对土壤有机质的转化作用与土壤环境条件有关，并且具有阶段性和不确定性。.[意义] 项目研究结果对深入认识产漆酶微生物来源对高寒草地土壤有机质转化的作用，提升在全球气候变化和人类活动背景下漆酶在高寒草地生态系统生物地球化学循环过程和机制的认识具有指导意义。