腾格里沙漠生物土壤结皮中固氮与氨氧化微生物驱动的氮积累机制研究

Nitrogen availability is a key factor affecting biological activities in the arid ecosystem except water. Biological soil crusts as an important building and composition in desert ecosystem, its nitrogen fixation are important biological sources to improve the soil nitrogen of the ecosystem. With the development and succession of biological soil crusts, changing biological community structure is bound to affect the ecological functions of crusts. Therefore, to explore microbial diversity in BSCs is necessary for further understanding the roles of BSCs in the degraded ecosystems. To solve the above scientific questions, we select different types of BSCs widely distributed in Shapotou areas in Tengger desert as the research objects, and use MiSeq sequencing technology combined with N temporal-spatial distribution and transcriptomics of high-efficient nitrogen-fixing microbes to deeply understand the nitrogen accumulation mechanism of biological soil crusts driven by nitrogen- fixation and ammonia-oxidation microorganisms. It aims to provide a scientific basis for sustainable development of desert ecosystems.

氮素可利用性是除水分之外影响干旱生态系统生物活性的关键控制因子。生物土壤结皮(biological soil crust, BSCs)作为荒漠生态系统的重要构建者和组成成分，其氮固定是该生态系统土壤氮素提高的一个重要生物来源。随着结皮的发育演替，结皮中生物群落结构的不断变化势必会影响结皮的生态功能。因此，开展BSCs中微生物多样性的研究对于进一步了解BSCs在退化生态系统中的作用十分必要。为了解决以上科学问题，本项目以腾格里沙漠沙坡头地区广泛分布的不同类型的BSCs为研究对象，主要采用MiSeq测序技术并结合N积累的时空分布特点以及高效固氮微生物转录组学内容深入了解BSCs中固氮及氨氧化微生物驱动的氮积累机制。旨在为荒漠生态系统的可持续发展提供科学依据。

生物土壤结皮（Biological soil crust，BSCs）是干旱半干旱荒漠地表的重要组成部分，在荒漠生态系统中发挥着非常重要的功能，有效地改善了土壤表面的物理稳定性，促进了土壤微生物多样性的变化。微生物多样性对于BSCs在沙漠生态系统中改善局部环境以及提升生态功能具有重要作用，微生物组代谢途径有助于重要的生物地球化学过程，包括光合作用的碳固定、氮输入和提高土壤肥力，从而改善表层土壤的理化性质。本项目主要以腾格里沙漠东南缘广泛分布的藻结皮、藓结皮为研究对象，在空间尺度上分析比较了两种BSCs微生物组物种组成、基因以及代谢路径的多样性差异，在时间尺度上比较分析了不同生物土壤结皮及其下层样品细菌多样性的季节动态，并综合分析了季节动态、生物土壤结皮类型和化学性质对腾格里沙漠东南缘生物土壤结皮中细菌、基因以及代谢路径多样性的影响。结果表明，两种BSCs土壤中细菌域微生物最多，其次为古生菌域和真核生物域。主要细菌类群为变形菌门、放线菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、蓝细菌门等，其中变形菌门和放线菌门为优势类群，BSCs演替过程中细菌多样性及其相对多度具有明显的季节动态变化。在BSCs中共检测到16种PTS系统转运蛋白编码基因，具有显著性差异的有5种；检测到106种ABC转运蛋白的编码基因，具有显著性差异的有46种。氮固定途径的低多样性似乎是BSCs微生物组的一个显著特征，而氮的还原则主导了两种BSCs的氮代谢网络。藻结皮的微生物组富含同化硝酸盐还原基因，而藓结皮的微生物组富含异化硝酸盐还原基因。随着BSCs的演替，藓结皮土壤中与固氮相关的代谢通路丰度低可能是藓结皮固氮量微弱的根本原因，造成利用大气中氮气合成氨的生态功能减弱。而藓结皮已经形成的氮库主要通过硝酸盐还原途径将硝酸盐还原成铵盐，可能用于藓结皮微生物组自身的氨基酸合成，也可能为藓类植物的生长提供有效氮源。BSCs类型对TOC含量以及微生物组、基因和代谢多样性具有重要影响。这为深入理解BSCs在沙漠生态系统中的生态功能提供了重要的微生物组学数据。