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導(dǎo) 讀 土壤微生物生物地理學(xué)是研究土壤中微生物空間分布格局及其隨時(shí)間變化的一門科學(xué)。開展土壤微生物生物地理學(xué)研究有助于深入挖掘土壤中的未知生物資源，深刻理解土壤中微生物多樣性的產(chǎn)生、維持機(jī)制，并可預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的演變方向。由于土壤中微生物絕大多數(shù)不可培養(yǎng)，所以其生物地理學(xué)研究長期滯后于動植物的生物地理學(xué)。21世紀(jì)以來，新一代高通量測序、組學(xué)技術(shù)的突破為土壤微生物生物地理學(xué)帶來了前所未有的機(jī)遇，使其成為土壤生物學(xué)、微生物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的國際研究熱點(diǎn)。本文闡述了近年來國內(nèi)外土壤微生物生物地理學(xué)的研究現(xiàn)狀，提出了近期研究重點(diǎn)，并對該領(lǐng)域的未來研究與發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行了展望。
文/褚海燕1 王艷芬2 時(shí) 玉1 呂曉濤3 朱永官4 韓興國3（1 中國科學(xué)院南京土壤研究所 2 中國科學(xué)院大學(xué) 3 中國科學(xué)院沈陽生態(tài)研究所 4 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所） 來源：中國科學(xué)院院刊（http://www.bulletin.cas.cn 微信公號：CASbulletin，2017年第6期）
微生物是一種重要生物類群，是地球上生物多樣性的重要組成部分。1913年荷蘭細(xì)菌學(xué)家Beijerinck首次提到微生物可能無處不在；21年后的1934年，他的同事Becking進(jìn)而提出了“微生物可能無處不在，但環(huán)境會對它們進(jìn)行選擇”（Everything is everywhere,but the environment selects）的論點(diǎn)，人們認(rèn)識到環(huán)境選擇對微生物的重要性。自此，微生物生物地理學(xué)的大門打開了。然而，由于自然界中的微生物絕大多數(shù)不可培養(yǎng)，長期以來微生物的生物地理學(xué)發(fā)展十分緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于動植物的生物地理學(xué)研究。20世紀(jì)末期，BIOLOG、磷脂脂肪酸法（PLFA）、DNA指紋圖譜、基因芯片等分子生物學(xué)技術(shù)的興起較好地推動了微生物群落研究，實(shí)現(xiàn)了不依賴培養(yǎng)而直接對環(huán)境中微生物群落進(jìn)行分析，開創(chuàng)了微生物分子生態(tài)學(xué)的新時(shí)代。21世紀(jì)以來，高通量測序、生物信息等技術(shù)的革命性突破進(jìn)一步推動了微生物生物地理學(xué)的發(fā)展。此外，生態(tài)學(xué)基本理論在微生物生態(tài)研究領(lǐng)域的不斷運(yùn)用也助推了微生物生物地理學(xué)發(fā)展。
土壤中微生物數(shù)量大、種類多、生物量大，土壤是微生物的“大本營”，是人類最豐富的“菌種資源庫”。土壤微生物參與了土壤中幾乎所有的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，同時(shí)也是土壤圈、生物圈、大氣圈、水圈、巖石圈物質(zhì)循環(huán)的“紐帶”。開展土壤微生物生物地理學(xué)研究有助于深入挖掘土壤中未知的生物資源，深刻理解土壤 中微生物多樣性產(chǎn)生、維持的機(jī)制，并可預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的演變方向。因此，土壤微生物生物地理學(xué)成為了土壤學(xué)、微生物學(xué)、地理學(xué)以及生態(tài)學(xué)領(lǐng)域最為重要的交叉學(xué)科之一。而新一代高通量測序、組學(xué)技術(shù)的發(fā)展又為土壤微生物生物地理學(xué)帶來了前所未有的機(jī)遇，使其成為國際微生物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
2014年6月，中科院前瞻性地部署了“中國微生物組”計(jì)劃，啟動了“土壤-微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B 類），這成為繼美國“人類微生物組”計(jì)劃（HMP）以來的第 2個(gè)環(huán)境微生物組計(jì)劃。2016年5月14日，美國白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室（OSTP）發(fā)布新聞，將斥資1.21 億美元進(jìn)行“國家微生物組計(jì)劃”（NMI），在未來兩年中描繪并研究人體、植物、土壤、海洋與大氣中多種微生物群落狀況，這些微生物群落的總和被稱為微生物組。中美兩國微生物組計(jì)劃的相繼實(shí)施，一方面證明了微生物研究的重要性，另一方面將極大地推進(jìn)世界土壤微生物生物地理學(xué)的發(fā)展。
土壤微生物生物地理學(xué)主要研究土壤微生物的空間分布及其驅(qū)動機(jī)制。土壤微生物的空間分布包括水平空間分布與垂直（沿海拔梯度）空間分布，驅(qū)動因子包括當(dāng)代環(huán)境條件（光照、降水、溫度、土壤pH 和營養(yǎng)狀況等）和歷史進(jìn)化因素（距離分隔、物理屏障、擴(kuò)散限制和過去環(huán)境的異質(zhì)性等）。然而，當(dāng)代環(huán)境條件與歷史進(jìn)化因素對于微生物群落空間變異的相對貢獻(xiàn)仍存在很大的爭議，主要與生態(tài)系統(tǒng)類型、研究尺度、微生物類群、個(gè)體大小以及研究技術(shù)手段等相關(guān)。目前，不同空間尺度下土壤微生物的分布規(guī)律、土壤微生物與植物群落是否存在協(xié)同分布與共進(jìn)化、如何預(yù)測土壤微生物分布及其對生態(tài)功能的影響等科學(xué)問題亟待深入研究，文章將詳述如下。
土壤微生物的水平分布研究范圍涵蓋了從微觀水平、局域水平到景觀以及國家、洲際水平等不同的空間尺度。
1.1.1 多數(shù)研究表明當(dāng)代環(huán)境因素是影響土壤微生物空間分布的主要因子
例如，在較大空間尺度下土壤pH被發(fā)現(xiàn)是影響細(xì)菌分布的關(guān)鍵因子。土壤pH對細(xì)菌分布的影響不僅存在于自然生態(tài)系統(tǒng)中，在受到人為擾動較大的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)以及火干擾生態(tài)系統(tǒng)中也是如此。土壤pH對細(xì)菌群落的影響主要在酸性及中性土壤環(huán)境，在堿性環(huán)境下其他土壤性狀起到了主導(dǎo)作用。例如，土壤碳含量被發(fā)現(xiàn)是影響大尺度下我國西藏阿里地區(qū)堿性土壤細(xì)菌分布的主要因子。
與細(xì)菌不同，土壤真菌的空間分布與土壤pH相關(guān)性較小，這可能是由于真菌適應(yīng)pH的范圍比細(xì)菌更寬。土壤有機(jī)碳含量被發(fā)現(xiàn)是影響我國東北黑土真菌空間分布的主要因素。此外，植物群落也強(qiáng)烈影響真菌群落的空間分布。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，地球上70%—90% 的陸生植物被菌根真菌侵染，侵染后的菌根能提高植物對有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素的利用效率。一些研究發(fā)現(xiàn)植物多樣性能夠顯著影響真菌的多樣性，而有些研究則發(fā)現(xiàn)它們之間沒有必然的聯(lián)系。
以上研究現(xiàn)狀表明微生物類群不同、個(gè)體大小不同，影響其生物地理分布的環(huán)境因素則隨之不同。
1.1.2 歷史進(jìn)化因素對微生物群落的空間變異也有顯著貢獻(xiàn)
目前，當(dāng)代環(huán)境與歷史進(jìn)化因素對于微生物群落空間變異的相對貢獻(xiàn)仍存在很大的爭論，這主要與檢測手段的靈敏度、環(huán)境因子的變化范圍、空間尺度以及對微生物種定義的不同等因素有關(guān)。例如，當(dāng)物種可操作分類單元（Operational Taxonomic Unit，OTU）的定義標(biāo)準(zhǔn)從95%的序列相似性增加到99%時(shí)，物種在空間上的周轉(zhuǎn)率亦隨之顯著增加，較粗略的物種劃分標(biāo)準(zhǔn)會導(dǎo)致可觀測到的微生物空間分布格局減弱甚至消失。由于土壤環(huán)境高度的變異性，需要大量的數(shù)據(jù)來計(jì)算統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性。此外，Hanson 等人提出在土壤微生物分布中，選擇、漂移、擴(kuò)散和突變以及這些過程的相互作用共同維持和影響了微生物的生物地理模式。
1.1.3 土壤微生物功能群、功能基因的空間分布研究
近年來，土壤微生物功能群、功能基因的空間分布研究也得到了研究界的重視。Fierer等人發(fā)現(xiàn)溫度可能是影響氨氧化細(xì)菌群落分異的重要因素，然而Martiny等人]發(fā)現(xiàn)氨氧化細(xì)菌的分布主要受空間距離的影響，這可能是由于研究尺度、所采用的技術(shù)方法不同造成的。研究報(bào)道氨氧化古菌的空間分布主要受土壤pH影響。叢枝菌根真菌作為一類專性寄生的微生物類群，影響其空間分布的因素與細(xì)菌及非專性寄生真菌明顯不同。研究表明土壤速效磷含量、土壤質(zhì)地及水分有效性是影響叢枝菌根真菌空間分布的主要因素。此外，地理空間距離對土壤叢枝菌根真菌的分布也有重要的作用。
Garcia-Pichel 等人發(fā)現(xiàn)藍(lán)細(xì)菌在洲際尺度下的分布主要受溫度影響。Zhou 等人采用Geochip技術(shù)分析了森林生態(tài)系統(tǒng)微生物功能基因的空間分布模式，并發(fā)現(xiàn)微生物空間周轉(zhuǎn)率顯著低于動植物的空間周轉(zhuǎn)率。Shi等人]采用Geochip技術(shù)分析北極土壤功能基因空間分布，發(fā)現(xiàn)歷史空間隔離顯著影響功能基因的分布，并發(fā)現(xiàn)大尺度上的功能基因差異性與土壤pH及全氮含量有密切的關(guān)聯(lián)。
1.1.4 小結(jié)
不同地區(qū)和氣候類型下陸地生態(tài)系統(tǒng)的自然變異和所受的人為干擾程度不同，微生物群落所處環(huán)境條件和歷史進(jìn)化因素不同，以及研究的時(shí)空尺度不同，從而導(dǎo)致了土壤微生物群落的地理空間分異。因此，應(yīng)全面地研究不同生態(tài)系統(tǒng)以及不同空間尺度下的土壤微生物群落，比較其驅(qū)動因子的異同，進(jìn)而了解土壤微生物空間分布格局的維持機(jī)制。
大量的傳統(tǒng)研究表明，動植物多樣性沿海拔梯度呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律，通常表現(xiàn)為遞減或單峰的垂直分布模式。隨著分子生物學(xué)技術(shù)和分析方法的迅速發(fā)展，近年來微生物沿海拔梯度的垂直分布研究也深入開展起來。
1.2.1 沿海拔梯度垂直分布的研究
Bryant等人研究美國科羅拉多州附近落基山脈土壤微生物的垂直分布，發(fā)現(xiàn)土壤酸桿菌的多樣性隨海拔升高而降低，與同海拔梯度被子植物所呈現(xiàn)的單峰模式顯著不同。但該研究只考察了酸桿菌，并不能代表整體細(xì)菌群落；同時(shí)，應(yīng)用克隆文庫方法檢測微生物多樣性水平分辨率較低。
利用454高通量測序技術(shù)，F(xiàn)ierer等人研究發(fā)現(xiàn)秘魯安第斯山脈隨海拔升高植物、鳥類及蝙蝠的多樣性顯著降低，但土壤細(xì)菌多樣性及群落組成與海拔沒有顯著相關(guān)性，據(jù)此得出“微生物模式不跟隨動植物海拔分布而分布”的結(jié)論。
Singh 等人研究發(fā)現(xiàn)日本富士山沿海拔梯度植物多樣性逐漸降低，土壤細(xì)菌多樣性呈單峰模式，而古菌多樣性呈現(xiàn)雙峰模式。
1.2.2 隨海拔垂直分布的影響因子研究
Singh等人研究了韓國漢拿山不同海拔的土壤細(xì)菌群落，發(fā)現(xiàn)氣候因子（溫度、降水）是影響細(xì)菌多樣性及群落組成的主要因素。Yuan等人研究了青藏高原念青唐古拉山南坡不同海拔下不同土壤深度細(xì)菌群落，發(fā)現(xiàn)0—5cm土層細(xì)菌群落主要受降水和土壤 NH4+ 濃度影響，而 5—20 cm 土層細(xì)菌群落主要受pH影響。
Shen等人研究發(fā)現(xiàn)長白山不同海拔下土壤細(xì)菌群落分異明顯，細(xì)菌群落組成、多樣性水平與土壤pH最顯著相關(guān)。然而在較小海拔范圍的高山苔原生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，土壤細(xì)菌垂直分布和土壤pH并沒有顯著相關(guān)性，而與土壤碳氮含量最顯著相關(guān)，表明不同海拔梯度微生物垂直分布的驅(qū)動因子不同。另外，Shen 等人]還比較了長白山土壤微生物（包括細(xì)菌、真菌、原生生物等）與植物群落隨海拔分布的差異，植物多樣性隨海拔升高不斷降低而土壤微生物多樣性隨海拔沒有明顯趨勢，這也闡明了生物個(gè)體大小對生物多樣性垂直分布的重要影響。
Yang等人研究了長白山岳樺葉內(nèi)真菌隨海拔的分布，發(fā)現(xiàn)葉內(nèi)真菌群落亦隨海拔呈現(xiàn)明顯分異，葉內(nèi)真菌多樣性與葉片碳含量顯著正相關(guān)，該結(jié)果證實(shí)了生態(tài)學(xué)上“物種-能量”假說的普適性。利用Geochip技術(shù)，Yang等人調(diào)查了青藏高原4個(gè)海拔梯度土壤微生物功能基因的分布，發(fā)現(xiàn)碳循環(huán)、氮循環(huán)以及與壓力相關(guān)的功能基因的相對豐度在不同海拔間有明顯差異。
1.2.3 小結(jié)
以上研究表明，不同生態(tài)環(huán)境、不同海拔梯度間隔下，微生物的分布格局也有差異。為了充分闡明土壤微生物沿海拔梯度分異的內(nèi)在機(jī)制，需要在多種生境下及更多的海拔梯度間隔下，比較研究土壤原核、真核微生物以及植物群落的分布模式和環(huán)境驅(qū)動因子。
2 發(fā)展態(tài)勢
2.1 不同空間尺度下土壤微生物群落的分布規(guī)律
土壤微生物群落的空間分布具有尺度依賴性，體現(xiàn)在宏觀及微觀兩個(gè)方面。宏觀方面的土壤微生物空間分布主要表現(xiàn)在大尺度下，以及不同生態(tài)系統(tǒng)下，如農(nóng)田、森林、草地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)。微觀方面表現(xiàn)在土壤團(tuán)聚體、根際界面等微域中微生物的時(shí)空分布。土壤微生物在大空間尺度上的分布，既受當(dāng)代環(huán)境條件，如土壤 pH、土壤養(yǎng)分等，又受歷史進(jìn)化因素的影響，這就需要我們在樣品采集時(shí)更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)技術(shù)手段與多種分析方法區(qū)分當(dāng)代與歷史因素的相對貢獻(xiàn)。同時(shí)，對土壤宏基因組以及宏轉(zhuǎn)錄組的研究將是充分挖掘土壤微生物分布機(jī)制的重要手段之一。
2.2 土壤微生物與植物群落的協(xié)同分布及共進(jìn)化
在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物和微生物在生產(chǎn)力形成和積累過程中都扮演著關(guān)鍵角色。植物是初級生產(chǎn)者，通過光合作用增加生物量，而微生物通過促進(jìn)土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的釋放來影響植物多樣性和生產(chǎn)力。植物物種不同，對土壤營養(yǎng)輸入的數(shù)量和種類也就不同，相應(yīng)地會引起微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的變化。不同種類的植物將形成生態(tài)位的微分割，從而形成植物多樣性和土壤微生物多樣性的耦合分布模式。
土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也會影響植物性狀上的自然選擇模式，同時(shí)調(diào)節(jié)植物對非生物環(huán)境壓力的響應(yīng)，因此也影響到了整體生態(tài)系統(tǒng)的演化歷程。
未來應(yīng)借鑒宏觀生態(tài)學(xué)的一些基礎(chǔ)理論，如距離-衰減關(guān)系、種-面積關(guān)系、中性理論與生態(tài)位理論等，運(yùn)用到土壤微生物與植物群落的協(xié)同分布與共進(jìn)化研究中。
2.3 土壤微生物分布的模型預(yù)測及其與功能的耦合
土壤微生物時(shí)空分布的核心問題和難點(diǎn)是將特定的微生物與復(fù)雜的功能直接聯(lián)系起來，最終實(shí)現(xiàn)以土壤微生物為核心的人為管理調(diào)控生態(tài)服務(wù)功能。盡管目前還存在著諸多挑戰(zhàn)，如微生物的功能冗余、相同基因而不同功能和相同功能來自不同基因等問題。
目前已經(jīng)發(fā)展出一些分析和預(yù)測模型，預(yù)測微生物群落組成，以期進(jìn)而將微生物與其功能聯(lián)系起來。如系統(tǒng)進(jìn)化分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、種分布模型和地理信息系統(tǒng)等。借助這些手段和方法，已經(jīng)能夠通過局部相似性分析來建立微生物種或門之間以及微生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系；通過系統(tǒng)進(jìn)化的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)找出在群落中起關(guān)鍵作用的OTU。
現(xiàn)階段的土壤微生物分布生態(tài)模型仍有許多需要改進(jìn)的地方，包括信息輸入的依賴性、模型校正及適用性等；隨著研究不斷深入，可向模型中輸入的信息量也日益增加。可以預(yù)見，生態(tài)模型將成為未來微生物生物信息分析的主流手段之一。
隨著技術(shù)手段和分析方法的不斷發(fā)展，未來有可能將復(fù)雜的微生物群落與其功能耦合，找到起核心作用的微生物種屬和環(huán)境驅(qū)動因子；驗(yàn)證并外推先前的理論，預(yù)測不同管理措施及全球變化背景下微生物群落的變化及其可能產(chǎn)生的生態(tài)過程效應(yīng)，預(yù)測土壤微生物多樣性與群落的變化會給農(nóng)作物產(chǎn)量帶來哪些影響。
3 未來展望 土壤微生物生物地理學(xué)已經(jīng)成為土壤生物學(xué)和微生物生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)，并取得了重要的研究進(jìn)展。這種飛速發(fā)展很大程度上得益于新技術(shù)及分析方法的突破。然而，由于土壤本身的復(fù)雜性質(zhì)，土壤微生物生物地理學(xué)的研究仍然處于發(fā)展的起始階段，諸多基本問題仍然需要進(jìn)行深入探討。我國地域廣闊，不同地區(qū)氣候、植被和土壤類型差異顯著，自然變異及人為干擾程度不相同，這為研究不同尺度下土壤微生物的生物地理分布提供了理想的平臺。同時(shí)，我國在從南到北的熱量梯度樣帶、從東到西的降雨梯度樣帶上有長達(dá)30年的長期定位試驗(yàn)站，為研究土壤微生物群落在時(shí)間尺度上的分布提供了理想平臺。
在我國今后的土壤微生物生物地理學(xué)研究工作中，既要對國際的研究前沿進(jìn)行追蹤，也要結(jié)合我國的具體國情，從微觀和宏觀兩個(gè)角度不斷創(chuàng)新研究思路與理念，更加嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，不斷更新分析手段，如此才能充分解析土壤微生物生物地理分布的內(nèi)在機(jī)制，為維持和改善土壤微生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)功能的完整性服務(wù)。目前，所有微生物生物地理分布的研究都還處于發(fā)現(xiàn)的層面，至于土壤因子如何影響群落與多樣性、微生物多樣性的高低與植物產(chǎn)量及生長互作機(jī)制如何、氣候變化通過哪些機(jī)制調(diào)節(jié)微生物活動、微生物在外界環(huán)境變化后的響應(yīng)機(jī)制如何等問題，還需進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)或田間及野外試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和研究。同時(shí)，建立規(guī)范的大型土壤微生物數(shù)據(jù)匯總及分析平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分享將是研究土壤微生物功能與作用的有力保障。總之，只有充分掌握這些機(jī)理，才能更加深入地理解土壤微生物的生態(tài)功能，才能通過調(diào)整微生物多樣性與群落來改善植物或作物生長環(huán)境，最終使其更好地為人類服務(wù)。 |
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