土壤微生物生态过程与微生物功能基因多样性_张晶(1)
土壤学中的土壤微生物群落分析方法
土壤学中的土壤微生物群落分析方法土壤生态系统是一种充满生机的生物体系，其中土壤微生物群落是其中最丰富和重要的组成部分之一。
土壤微生物在土壤生态系统中起着重要的作用，包括有机质分解、氮循环、生物固氮以及供给植物生长所需的营养元素等。
因此，对土壤微生物群落进行准确分析有助于了解土壤生态系统的健康和状况，为环境保护和农业生产提供有价值的参考依据。
本文将介绍土壤学中常用的土壤微生物群落分析方法。
一、DNA测序技术近年来，随着高通量测序技术的不断发展和成熟，DNA测序技术已成为研究土壤微生物群落多样性的主要手段。
目前常用的DNA测序技术包括Sanger测序、454测序、Illumina测序和PacBio测序等。
这些技术的主要区别在于读长、测序准确度、数据处理复杂度和成本等方面。
其中，Illumina测序技术是应用最广泛的测序技术之一。
该技术具有高通量、高准确度和低成本等优势，能够产生数百万到数十亿个序列，适用于研究微生物群落组成、特定功能基因的分布和微生物群落的分子进化等。
但该技术也存在一些限制，如读长短、测序偏差和寡核苷酸错误等，需要进行数据过滤和样本对比等后续分析。
二、FISH技术FISH（Fluorescence In Situ Hybridzation）是一种在原位的方法，能够直接观测微生物群落中细菌的存在和数量。
该技术使用DNA探针标记靶细胞的核酸序列，配合荧光探针进行检测和成像，可以定量测量目标细菌在样品中的丰度和空间分布。
FISH技术的优势在于高分辨率的成像和定量准确性，能够提示具体的微生物存在形态，如球形、杆状等。
三、PCR-DGGE技术PCR-DGGE（Polymerase Chain Reaction-Denaturing Gradient Gel Electrophoresis）技术依赖PCR扩增样品中的16S rRNA基因，然后将PCR产物在含有变性剂的聚丙烯酰胺凝胶上电泳，通过电泳道中的变性梯度来分离不同的微生物群落。
土壤微生物研究方法
第二节 土壤微生物的计数与分析
• 一、培养计数法
•
根据培养基上所生长微生物的数量来 估算土壤中微生物的数量的方法
（一）一般微生物的分离与计数
• 稀释平板法
• 最大或然数法（MPN稀释法） • 土粒法
• 稀释平板法：
•
用已知质量的土壤在适量的溶液中搅拌的时候，微生 物和土壤分离，这些分开的微生物细胞在营养琼脂平板上 生长成为分散的菌落，根据菌落数换算得单位重量土壤中 微生物的数量。土壤中微生物的数量很多，因此必须取少 量样品制成土壤悬液，然后稀释，使发育在培养皿中的菌 落可以很好地分散开
测定是微生物在与野外环境完全不同的溶液 中的代谢活性，因此，也不能确定它的结果能 否反映土壤区系的实际代谢情况；
二、土壤微生物结构多样性分析
• 磷脂脂肪酸法也称为PLEA法 • （phospholipid fatty acid 法）； • 磷酸脂肪酸是所有微生物细胞膜磷脂的组分，具有结构多 样性和较高的生物学特异性，用磷酸脂肪酸作为标记物来 研究鉴别土壤微生物群落结构多样性变化。
?土壤微生物细胞利用31种碳源进行代谢以代谢过程产生的酶与四唑类显色物质如种碳源进行代谢以代谢过程产生的酶与四唑类显色物质如ttctv发生颜色反应的浊度差异为基础运用独有的显性排列技术分析土壤微生物的代谢特征指纹图谱反映不同环境条件引起的土壤微生物群落变化发生颜色反应的浊度差异为基础运用独有的显性排列技术分析土壤微生物的代谢特征指纹图谱反映不同环境条件引起的土壤微生物群落变化?biolog测试板含有96个小孔除对照外其余孔内分别含有不同的有机碳源和一种指示剂通过接种菌悬液根据微生物对碳源利用时指示剂颜色变化差异来鉴定微生物群落功能多样性个小孔除对照外其余孔内分别含有不同的有机碳源和一种指示剂通过接种菌悬液根据微生物对碳源利用时指示剂颜色变化差异来鉴定微生物群落功能多样性该法优点?灵敏度高分辨力强?无需分离培养纯种微生物可以最大限度地保留微生物群落原有的代谢特征无需分离培养纯种微生物可以最大限度地保留微生物群落原有的代谢特征?测定简便数据读取与记录可以由计算机辅助完成测定简便数据读取与记录可以由计算机辅助完成?可以连续监测微生物的变化可批量分析该法缺点?特别依赖于群体生理活性不能监测休眠体也不能检测那些不能利用特别依赖于群体生理活性不能监测休眠体也不能检测那些不能利用biolog碳源底物的群体
土壤中微生物分布的特点
1.土壤中微生物分布的特点
土壤的生态条件：营养、pH、渗透压、氧气和水、温度、保护层，土壤具备了微生物所需要的营养和各种环境条件，是微生物良好的天然培养基，是微生物的大本营。
1）土壤中微生物的水平分布取决于碳源
2）土壤微生物的垂直分布主要受到紫外辐射的照射、营养、水、氧气、温度、pH等因子的影响（表面的土壤由于紫外辐射的照射和缺水的环境微生物不易繁殖及存活，所以数量相对比较少），并随土壤类型的不同而有很大变化（果园、养蜂场、葡萄园等酵母菌的数量比较多；节杆菌属和诺卡氏菌属不受土壤中动植物残体数量影响，想定稳定存在于土壤中）。
3）土壤微生物的数量和分布受季节影响；
4）微生物的数量也与于土层的深度有关，一般土壤表层微生物最多,随着土层的加深，微生物的数量逐步减少（5-20cm处微生物数最多，植物根系附近微生物数量更多，在耕作层20cm以下，微生物数随土层深度增加而减少，距表面1m 深处每克土含微生物36000个，离表面2m深处每克土中微生物只有几个，由于缺氧和营养所致）。
2.土壤中微生物多样性的主要意义
1）微生物分解动物粪便，为植物提供营养物质
2）微生物分解动物的尸体和植物的遗体，使动物的尸体和植物的遗体最终变成了腐殖质，成为了土壤中的一个组成部分，这种腐殖质还具有肥料的作用，为植物的茁壮成长创造了条件。
3）微生物具有固氮作用，它可将空气中的氮转化为土壤中的固态氮化物，为不能直接利用氮的植物提供所需的氮源。
4）微生物在食物链中担当分解者的角色，是一条完整食物链所不可缺失的部分，微生物多样性使得整个生态系统完善。
中国土壤微生物组pdf
中国土壤微生物组pdf中国土壤微生物组是土壤中各种微生物组成，包括有机物和重金属等，主要反映环境健康状况。
一、土壤微生物组多样性1、物种多样性：土壤微生物组多样性表现为物种多样性。
中国土壤中可能含有数百万种及其多种类别的微生物群落成分，其多样性在不同地质和气候条件、土壤海拔深度、土壤沉积物类型等方面也有所不同。
2、进化多样性：土壤微生物组具有较高的进化多样性，包含细菌、真菌及古细菌等不同的群体，以及多种生物学特征、settle、遗传形态和生态系统进化多样性。
根据细菌与古细菌的特征，可分为自然系统、冷湿性系统、温暖湿润系统、沙土、混合沙土等五种基本生态系统。
3、环境多样性：土壤微生物组受环境差异的影响，也表现出的环境多样性。
根据不同的环境条件，土壤中的微生物群落分布结构也可能有所不同，如温度、水分、pH等因素都可能对土壤微生物组产生影响。
二、中国土壤微生物组的研究1、多学科联合研究：中国土壤微生物研究结合了土壤学、微生物学、生物学、环境学等多学科，将研究范围从单一细菌或真菌细胞层面拓展至土壤微生物组化层次。
目前，土壤细菌多样性的研究已经取得了较好的结果，其详细的特征和关系越来越清楚，农作物以及环境的生态调控也不断被发掘出来。
2、土壤细菌组分析技术：土壤微生物组分析技术在中国发展迅速，现已成为重要的土壤污染信息提供技术。
该领域的研究主要集中在环境分子生物学和细菌系统发育方面，诸如16S rDNA鉴定技术、凝胶法生物标志物标定技术等，在有才、微生物识别、细菌系统学和定量分析等方面都可以获得较好的结果。
三、土壤微生物组的应用1、生态环境恢复：土壤微生物组对土壤环境的恢复、农田生态环境的恢复和高效或环保的农业生产等都有重要的理论和实践意义。
2、抗药性的高效管理：土壤微生物组研究也可以同农药使用相结合，如病原菌种群结构和多样性变化、抗性基因在微生物组中的分布及传播、农药污染后土壤环境对微生物抗性的影响等，从而实现高效农药管理。
气候变化对土壤微生物多样性和生态功能的影响
气候变化对土壤微生物多样性和生态功能的影响随着全球气候变化的日益严重，生态系统的稳定性与生态服务能力逐渐降低，土壤微生物多样性和生态功能面临着严峻的挑战。
本文将深入探讨气候变化对土壤微生物多样性和生态功能的影响，并提出相应的应对措施。
一、气候变化对土壤微生物多样性的影响土壤微生物是土壤中重要的组成部分之一，包括细菌、真菌、放线菌、原生动物等。
它们在土壤生物地球化学循环和生态过程中发挥着至关重要的作用。
然而，气候变化对土壤微生物的生态环境和生命活动产生了深刻的影响，具体表现为以下几个方面：1. 土壤温度的变化气候变化导致地球气温升高，进而造成了全球范围内的土壤温度升高。
这种变化将直接影响土壤微生物的生理代谢和多样性，导致高温耐受性微生物的扩张，而其他微生物却遭受压制；此外，高温环境对土壤细菌、真菌和放线菌等微生物有严重的影响，从而可能降低了土壤微生物的多样性。
2. 干旱化随着全球气候变化，地球上干旱区域的面积不断扩大，干旱气候也日益严重。
这种气候变化将导致土壤水分不足，包括微生物生长所需的水份。
干旱环境会削弱土壤微生物对抗病原微生物和保持土壤稳定性的能力。
此外，干旱条件下微生物的代谢活动会下降，可能导致土壤微生物多样性的降低。
3. 酸化和盐碱化气候变化还会导致土壤酸化和盐碱化这些严重的问题，并直接影响到土壤微生物的生长和代谢，造成微生物多样性的降低。
酸化和盐碱化也会破坏土壤微生物和植物之间的相互作用，导致植被的退化和土壤失去其本身的生产力。
二、气候变化对土壤微生物的生态功能的影响土壤微生物在土壤生态过程中扮演着至关重要的角色，涉及到土壤养分循环、植物生长、碳循环、土壤稳定性等多个方面。
然而，气候变化对土壤微生物的生态功能产生了很大的影响，以下是主要的方面：1. 土壤养分循环土壤微生物参与了许多有助于土壤养分循环的生命活动，例如有机质分解，氮和磷的转化和固定，微生物是土壤中重要的生态回路，而气候变化对土壤养分循环的影响，则会改变原本的生态回路，从而直接影响到土壤微生物的生态功能。
《2024年温带草原土壤微生物群落特征以及土壤多功能性的研究》范文
《温带草原土壤微生物群落特征以及土壤多功能性的研究》篇一摘要：本文通过对温带草原土壤微生物群落特征及土壤多功能性的研究，探讨了温带草原生态系统中土壤微生物的组成、结构及其与土壤功能多样性的关系。
通过对土壤样品的采集、微生物群落的测定以及土壤多功能性的评估，揭示了温带草原土壤微生物群落的结构特点及其对环境变化的响应机制，为进一步理解温带草原生态系统的功能和保护提供了科学依据。
一、引言温带草原作为地球上重要的生态系统之一，其土壤微生物群落对维持生态系统的稳定性和功能多样性起着至关重要的作用。
土壤微生物群落不仅参与有机质的分解和养分循环，还对气候变化、土壤健康及生物多样性的维持产生重要影响。
因此，研究温带草原土壤微生物群落特征及土壤多功能性，对于理解生态系统功能和保护具有重大意义。
二、研究方法1. 采样方法：在温带草原不同区域采集土壤样品，确保样品的代表性和均匀性。
2. 微生物群落分析：利用高通量测序技术对土壤样品中的微生物群落进行测定，分析微生物的种类、数量及组成。
3. 土壤多功能性评估：通过测定土壤的物理、化学及生物性质，评估土壤的多功能性。
三、温带草原土壤微生物群落特征1. 微生物种类与数量：温带草原土壤中存在大量的细菌、真菌和放线菌等微生物，其中以细菌数量居多。
不同区域的土壤微生物种类和数量存在差异，这主要受气候、植被及土壤理化性质的影响。
2. 微生物群落结构：通过高通量测序结果分析，发现温带草原土壤微生物群落结构复杂，不同种类的微生物在群落中呈现出特定的分布模式。
同时，微生物群落结构受季节变化、降雨量及土地利用方式等因素的影响。
四、土壤多功能性评估1. 物理性质：温带草原土壤的物理性质良好，具有较高的渗透性和保水能力。
2. 化学性质：土壤中含有丰富的有机质和养分元素，为植物生长提供了良好的条件。
3. 生物性质：土壤中的微生物通过分解有机质、固定氮素等过程，参与养分的循环和土壤结构的形成，对维持生态系统的稳定性和功能多样性起着重要作用。
土壤微生物多样性及其影响因素
[摘要]土壤微生物多样性，包括微生物类群多样性、群落结构多样性以及遗传多样性等。
土壤微生物多样性对维持土壤生态系统稳定起重要作用，而且不同的土壤具有不同的土壤微生物群落。
影响土壤微生物多样性的因素很多，主要可以分为自然因素和人为因素。
[关键词]土壤微生物多样性影响因素[中图分类号]S15[文献标识码]A[文章编号]1003-1650(2015)12-0137-01土壤微生物多样性及其影响因素张记霞（包头轻工职业技术学院，内蒙古包头014035）土壤是微生物的大本营,是微生物生长和繁殖的天然培养基,土壤微生物资源在自然界中最为丰富多样。
土壤中微生物的种类较多，包括细菌、真菌、放线菌、原生动物和显微藻类等。
而且数量也很大，l 克土壤中就有几亿到几百亿个微生物个体。
研究土壤微生物多样性及其影响因素对于稳定生态系统、开发生物资源以及促进土壤持续利用等方面具有重要意义，因此土壤多样性的研究得到了大多数学者的广泛关注和重视。
1土壤微生物多样性所谓土壤微生物多样性，即生态系统中所有的微生物种类、它们拥有的基因以及这些微生物与环境之间相互作用的多样化程度。
尽管土壤微生物与生物环境之间的关系复杂多样、因种而异，但总体上可归纳为互生、共生、寄生、拮抗、捕食及竞争等六大关系[1]。
鉴此,土壤微生物多样性研究的核心内容应是自然或干扰条件下土壤微生物的群落结构、种群消长、生理代谢以及遗传变异等。
1.1物种多样性土壤微生物的物种多样性是指土壤中微生物的物种丰富度和均一度，这是微生物多样性的最直接的表现形式。
资料表明，自然界中95%～99%的微生物种群尚未被分离培养或描述过，从而推算地球上仅细菌就有10万～50万种[2]。
因为绝大多数微生物种群尚不能分离培养，所以目前重点研究一些对人类关系最为密切的物种，并通过培养基最大限度地培养各种微生物菌落，由此了解土壤中可培养的微生物种群。
1.2结构多样性土壤微生物的结构多样性是指土壤微生物群落在细胞结构及组成上的多样化程度，这是导致微生物代谢方式和生理功能多样化的直接原因。
生态环境中微生物的分布与功能
生态环境中微生物的分布与功能生态环境是生物生存和发展的物质基础，也是维护生态系统稳定性的重要保障。
微生物是生态环境中最基础也是最重要的生物群体之一，它们在生态系统中发挥着至关重要的作用。
本文将从微生物的分布和功能两个方面介绍生态环境中微生物的重要性。
一、微生物的分布微生物广泛存在于自然界中，地球上所有生命体系都离不开微生物。
不同生态环境下的微生物种类和数量各异，下面就几个主要生态环境中微生物的分布进行简要介绍：1、土壤微生物土壤是生态系统的重要组成部分，微生物是土壤中最基础也是最丰富的生物群体之一。
土壤中的微生物种类多达数千种以上，包括细菌、真菌、放线菌等。
其中，真菌和放线菌是土壤生态系统中的关键微生物，它们分泌酶类物质，参与碳循环和氮循环等生态过程，同时也是土壤中重要的分解物质的微生物。
2、水体微生物水体中的微生物种类相对较少，主要包括浮游生物和底栖生物。
浮游生物包括细菌、原生动物、浮游藻和浮游真菌等。
底栖生物包括鱼类、甲壳类、软体动物等，它们的分布范围从浅海到深海、从河流到湖泊，生活方式和习性各不相同。
3、肠道微生物肠道微生物主要分布于人体肠道内，种类众多、数量庞大，估计每个人体内约有1.5千克的微生物群体。
肠道微生物对人体健康和生活质量的影响极大，例如帮助消化和吸收食物，维持免疫系统的正常功能等。
二、微生物的功能微生物在生态环境中具有多种重要功能，下面简要介绍几种常见的功能。
1、分解有机质微生物能够分解大量有机物质，使这些物质被完全降解和重复利用，有效促进了生物碳氮磷等元素的循环和再生。
微生物通过分泌酶类物质，将有机物质降解为较简单的化合物，其中包括能被植物吸收利用的营养元素。
2、促进土壤肥力微生物能够将土壤中的植物养分固定，将无机化合物转换为有机化合物，从而对土壤健康和肥力的维持起到非常重要的作用。
此外，微生物还有调节土壤酸碱度、减少土壤侵蚀等功能。
3、控制生态安全微生物在生态环境中还具有控制生态安全的重要作用，如对防止病原体和有毒物质的危害，促进生态系统健康和平衡。
微生物群落的多样性和生态功能分析
微生物群落的多样性和生态功能分析近年来，微生物群落研究越来越受到科学家们的关注。
微生物群落是一种由微生物组成的生态系统，这些微生物生活在不同的环境中，如土壤、水体、大气等。
微生物群落的多样性对于维护生态系统的平衡和稳定性非常重要，因此，对于微生物群落的多样性和生态功能进行深入的研究具有极其重要的意义。
第一部分多样性分析微生物群落的多样性是指微生物群落中不同种类微生物的数量和种类多样性。
微生物群落的多样性分析主要包括两种方法：一种是基于定性的研究，主要是通过培养方法识别不同种类的微生物，然后在分类学上进行分类；另一种是基于定量的研究，主要是通过高通量测序技术对微生物群落进行基因组分析。
微生物群落的多样性分析通常采用多样性指数，例如Shannon指数、Simpson指数和Chao1指数等。
其中，Shannon指数和Simpson指数可以反映微生物群落中物种的多样性，而Chao1指数可以用于估算群落中未被捕获到的微生物物种数目。
这些指数可以为我们提供微生物群落多样性的全面评估。
多样性研究的结果表明，微生物群落的多样性与环境因素密切相关。
例如，土壤中的微生物群落多样性与土壤有机质含量、pH值、温度和湿度等环境因素密切相关。
水中的微生物群落多样性与水质和流速也有密切关系。
因此，通过对微生物群落的多样性进行分析，可以更好地理解微生物在生态系统中的作用和适应性。
第二部分生态功能分析微生物群落的生态功能研究主要是指微生物在生态系统中的作用和功能。
微生物在生态系统中具有多种作用和功能，包括有益的作用（如有助于分解有机物、提高农作物的营养价值等）和有害的作用（如致病菌引起的疾病等）。
生态功能的研究主要是通过微生物对环境的响应来进行分析。
例如，对于土壤中微生物群落生态功能的研究，可以通过分析微生物参与的生化反应、微生物体积和营养代谢等参数来评估其生态功能。
微生物群落的生态功能研究对于生态系统的维护和改善非常重要。
例如，通过对农业土壤微生物群落的生态功能研究，可以了解微生物在农业生态系统中的作用，有助于优化肥料使用和改进作物种植方式，从而提高农业生产效率。
土壤微生物多样性调查方法与应用
土壤微生物多样性调查方法与应用土壤微生物是指土壤中的一种微小生物，经过千百年的演化，形成了生态系统这一整体。
土壤微生物具有调节土壤质量的作用，尤其是其中的细菌和真菌，可以分解和吸收有机物，促进植物生长。
因此，对于生态保护和农业发展有着重要的作用。
而调查土壤微生物多样性就成为了现代生态学研究的一大重点。
一、土壤微生物多样性调查的方法目前，针对土壤微生物多样性的调查方法主要有现场调查、分子生态学分析和计算机仿真等多种方法。
1. 现场调查法现场调查是一种传统的调查方法，也是许多生态学研究者经常使用的方法。
该方法主要是通过取样分析来确定土壤中生物的活动情况。
在土壤中选择样本进行物理化学分析，在基因型和表型上进行生物学分类，以确定微生物的种群结构和生态性状。
2. 分子生态学分析法分子生态学分析法是一种从分子水平上研究微生物多样性的方法。
该方法主要是通过分离DNA或RNA并进行放大、序列化，来确定微生物中特殊引物的种群结构和理解微生物之间的生物学关系。
与其他方法相比，该方法更为准确，可以发现更多的微生物群落，同时也提高了调查效率和准确度。
3. 计算机仿真法计算机仿真法是一种利用计算机模拟微生物多样性的方法。
其对科学学者进行详细的观察，不同的模拟形式可以得出不同的模拟结果。
该方法主要通过模拟计算机程序对微生物多样性数据的模拟分析，可以得到研究结果和结论，对研究微生物多样性的分析和比较，提高了研究快速性和深度。
二、土壤微生物多样性调查的意义1. 保护生态系统健康通过调查土壤中微生物多样性，可以评估土壤的生态质量，对于土壤生态疾病、物理和化学因素的影响有着重要的指导意义。
同时，可以对土壤质量进行科学监测，保护生态系统，维护生态平衡。
2. 提高土地利用率对于开发和利用耕地资源，了解土壤中存在的微生物的特征和生长情况，可以对其进行指导，提高土地利用率，增加农业生产效益，同时也可以保护土地生态系统的完整性。
3. 促进精准农业了解土壤中存在的微生物种类和分布情况，可以更好地利用先进的土壤检测技术，制定更为合理的农作物种植和肥料施用方案，从而提高农作物的产量质量，实现农业的可持续发展。
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土壤微生物生态过程与微生物功能基因多样性＊张 晶1,2 张惠文1＊＊ 李新宇1 苏振成1 张成刚1(1中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;2中国科学院研究生院,北京100039)
【摘要】 土壤微生物在陆地生态系统中具有重要的生态功能,包括参与地球化学物质循环、污染物降解、环境剧烈变化的缓冲等.土壤微生物的生态功能与土壤功能联系密切,微生物群落结构与组成变化会直接影响土壤功能的发挥.土壤微生物通过具有生物活性的酶参与一系列的代谢活动,编码酶的功能基因成为微生物功能标记物.近10年中,以功能基因多样性为核心的分子生态学研究迅速发展,为从功能基因角度了解土壤微生物的生态功能提供了一个新的切入点.本文综述了与土壤微生物生态功能相关的功能基因多样性研究进展,并对该领域的发展前景提出展望.
关键词 土壤功能 微生物 生态功能 功能基因多样性文章编号 1001-9332(2006)06-1129-04 中图分类号 Q939.96 文献标识码 A
Soilmicrobialecologicalprocessandmicrobialfunctionalgenediversity.ZHANGJing1,2,ZHANGHui-wen1,LIXinyu1,SUZhencheng1,ZHANGChenggang1(1InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSci-ences,Shenyang110016,China;2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China).-Chin.J.Appl.Ecol.,2006,17(6):1129～1132.Soilmicrobesinterrestrialecosystemcarryoutaseriesofimportantecologicalfunctions,suchasgeo-chemicalcy-clingofelements,degradationofpollutants,andbufferingtotheacutechangesofenvironment,etc.Soilmicrobi-alecologicalfunctionhasacloserelationwithsoilfunction,andthechangesinthestructureandcompositionofsoilmicrobialpopulationscandirectlyaffecttherealizationofsoilfunction.Throughtheirproducedenzymes,soilmicrobestakepartinaseriesofmetabolicactivities,andthefunctionalgenesofcodedenzymesarethefunctionalmarkersofmicrobes.Inrecenttenyears,molecularecologyfocusingonthefunctionalgenediversityhasbeende-velopedrapidly,whichgivesusanewcut-inpointtounderstandsoilmicrobialecologicalfunctionfromthepointoffunctionalgene.Thispaperreviewedtheresearchadvancesinthefunctionalgenediversitycorrelatedtosoilmicrobialecologicalfunction,withtheperspectivesinthisfielddiscussed.
Keywords Soilfunction,Microorganism,Ecologicalfunction,Functionalgenediversity.
＊国家重点基础研究发展规划项目(2004CB418503)和国家自然科学基金资助项目(30440031).＊＊通讯联系人.E-mail:huiwen-zhang@yahoo.com.cn
2005-06-16收稿,2006-03-26接受.
1 引 言土壤微生物是陆地生态系统不可或缺的分解者,在地球化学物质循环、污染物降解转化和污染环境修复、环境剧烈变化的缓冲等方面发挥着举足轻重的作用,对陆地生态系统的可持续发展具有重要意义.土壤微生物生态功能与土壤质量之间存在着密切的联系,微生物功能多样性变化能直接反映土壤生态系统受到各种干扰因子影响的状况.土壤微生物功能主要指土壤微生物分解功能、营养传递功能及促进(或抑制)植物生长的功能.编码相关酶的功能基因作为土壤微生物功能标记物,成为了解微生物功能多样性信息与土壤功能之间关系的纽带,并成为微生物生态学中微生物多样性研究的又一新的研究领域.随着分子生物学技术的发展,应用先进的分子系统学、微阵列技术[35,36]、功能基因组学技术和原位活性检测技术从宏基因组文库中发掘基因组进化和功能信息,进而探索微生物生态系统结构与土壤功能之间的关系,成为重新评价土壤质量与功能的新切入点.用参与相关土壤微生物生态过程的功能基因多样性(包括丰度和结构)来指示土壤微生物的生态功能更具有现实意义.2 与土壤生物地球化学过程相关的功能基因多样性2.1 固氮过程微生物固氮作用是增加土壤氮素含量和生物有效性的重要方式,其中微生物固氮酶复合物包括两个保守蛋白:即由nifD和nifK基因编码的钼铁蛋白和由nifH基因编码的铁蛋白.固氮酶编码基因nifH是基因进化过程中最古老的功能基因,其系统进化关系和16SrDNA相一致.研究者关注固氮基因多样性,主要考虑究竟是哪些因素影响着固氮基因的转录与表达,进而探究如何提高土壤微生物的固氮效率.研究发现土壤管理制度、植被覆盖和物理化学性质是造成土壤nifH基因多样性差异的重要因素.其中土壤管理制度是造成差异的主要因素,其次是土壤物理化学性质[28].在土壤管理
过程中,肥料施用在不同程度上影响着土壤固氮功能基因nifH的多样性[15,34].Yeager等[37]在研究土壤质量从未开垦
沙漠荒地到已开垦农田的演替过程中发现,已开垦农田固氮
应用生态学报 2006年6月 第17卷 第6期 CHINESEJOURNALOFAPPLIEDECOLOGY,Jun.2006,17(6):1129～1132
DOI:10.13287/j.1001-9332.2006.0225基因多样性远远少于未开垦沙漠荒地的,这主要归因于氮肥的施用.但土壤固氮基因类型并不随铵肥的施用而发生演替[21],而是随着植物生长季节即温度变化发生演替[2].与此同时,植被类型和覆盖与否也影响着土壤中固氮微生物群落结构.Shaffer等[31]发现林地采伐过程中,植被改变造成土壤中一种独特固氮细菌类群消失,固氮基因多样性的波动,可能是因为植被的去除改变了土壤温度、湿度、养分含量等一系列理化性质,进而影响了土壤中微生物功能群的结构和组成.Yeager等[38]研究野火对混生针叶林土壤固氮基因nifH多样性时发现,过火林地的微生物生物量呈现下降趋势,但优势固氮菌的序列类型增多,增多的序列与孢子传播的梭菌和杆菌序列类似.此外,植物根际分泌物也是造成土壤固氮微生物nifH基因分布、结构差异的一个重要原因,分泌物糖底物诱导固氮过程发生,同时糖底物浓度和有机酸对固氮微生物种群具有选择性作用[1,5].环境污染和自然灾害也在一定意义上影响固氮菌多样性的分布.Herry等[11]研究镍矿滥采造成的镍元素富集和其他营养元素缺失的极端环境中先锋共生植物的生长对参与氮循环的功能微生物群的影响,发现先锋共生植物改变了nifH基因的多样性分布和结构,这种效应与植物种类和相应的土壤微生物种群相关.由此可见,土壤中固氮基因nifH多样性受到土壤耕作制度、植被类型、土壤物理化学性质等诸多因素的影响,只有综合考虑各个因素的效应才能提高土壤的固氮效率,进而提高土壤中氮肥的生物有效性.2.2 硝化与反硝化过程作为土壤、沉积物、海洋等环境中氮素循环的重要过程,微生物的硝化与反硝化作用,与固氮作用共同构成全球氮素循环体系.硝化作用包括氨氧化和亚硝酸盐氧化两个过程,其中作为氨氧化过程重要的限速酶,氨单加氧酶成为氨氧化细菌的功能标记物.目前,对硝化作用的研究主要以氨氧化细菌为主要研究对象,探讨不同情况下,氨氧化细菌特定功能的执行过程.Oved等[26]比较研究了污水灌溉和含肥料清水灌溉对土壤微生物氨氧化基因多样性的影响,污灌过程土壤氨氧化基因多样性发生显著的变化,Nitrosomonas是污灌土壤的优势类群;而含肥料清水灌溉过程土壤氨氧化基因多样性不发生改变,Nitrosospira是含肥料清水灌溉土壤的优势类群.Mendum等[20]研究了可耕土壤中施用硝酸铵、农家肥加硝酸铵和不加氮肥3种处理对土壤氨氧化基因多样性的影响,其中硝酸铵施加土壤和不加氮肥土壤中不同基因型占优势地位.Nicolaisen等[25]研究了高产稻田土壤氨氧化基因多样性,发现土壤不同部分的氨氧化基因多样性没有明显差异,土壤表层比亚表层功能基因多样性丰富.在反硝化作用中,多以编码含铜亚硝酸盐还原酶和含亚铁血红素c和d的亚硝酸盐还原酶的nirK和nirS、一氧化二氮氧化还原酶编码基因nosZ和硝酸盐还原酶编码基因narG作为功能标记基因.Phillippot等[27]利用RFLP技术研究玉米根际土壤中硝酸盐还原群落的NarG基因多样性,发现裸土和植被覆盖土壤环境序列中的NarG基因与细菌(包括变形菌纲的α、β、γ亚纲)和放线菌有相关性,其中放线菌的NarG基因占有较高的比例,并且在裸土和植被覆盖土壤中硝酸盐还原群落存在转换,即存在根际效应.Enwall等[4]以nosZ、narG为功能标记基因利用核糖体基因间隔区分析(RISA)研究了不同有机和无机肥料的长期施用对土壤反硝化细菌种群的影响,发现肥料的长期作用使土壤反硝化细菌种群发生一定的结构转换,且根际分泌物也对反硝化微生物群落造成一定的影响[24].2,4,6-三硝基甲苯(TNT)污染作为广泛而持久的环境
问题也影响着土壤的反硝化过程.Siciliano等[33]发现土壤中的反硝化酶对TNT非常敏感,随着TNT浓度的增加,nirK、nirS和nosZ基因型增加,但是硝酸盐(NaR)、亚硝酸盐(NiR)和一氧化二氮(N(2)OR)还原酶活性下降,暗示TNT降低了土壤中的反硝化活动.2.3 甲烷氧化过程在甲烷氧化菌代谢过程中,几个酶起重要作用,包括粒状甲烷单加氧酶(pMMO)、可溶甲烷单加氧酶(sMMO)、甲醇脱氢酶(MDH),其编码基因分别为pmoA、mxaF和mmoB.不同土地利用方式下土壤中甲烷氧化菌种群结构差异造成了甲烷氧化速率差异,特别是荒地被开垦后,甲烷吸收率降低了60%～90%.Knief等[16,17]通过靶定pmoA基因研究不同土地利用方式下(包括天然林地、再生林地和玉米地)的甲烷氧化基因多样性,发现农田的甲烷氧化速率明显低于天然林地和再生林地,且甲烷氧化基因类型也与后两者有显著的不同,Methylobacter和Methylocystis是林地土壤的优势种群.在土壤物质循环中,甲烷是典型的代谢产物之一,其中,土壤微生物介导的甲烷消耗被认为是甲烷氧化的主要途径.Henckel等[9]研究表明由于气候的影响,冬季甲烷氧化基因