農(nóng)業(yè)微生物資源團(tuán)隊(duì)在土壤微生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定維持機(jī)制方面取得重要進(jìn)展
2021年02月08日來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所
土壤微生物活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的重要因素，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)性取決于土壤微生物組的穩(wěn)定性。因此，土壤微生物群落的穩(wěn)定性會(huì)影響土壤資源的可持續(xù)性利用。近年來，土壤微生物多樣性損失對生態(tài)系統(tǒng)的威脅在國際上廣受關(guān)注，微生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性的相關(guān)研究成為熱點(diǎn)。
近日，微生物學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Microbiome》（IF=12.16）在線發(fā)表了農(nóng)業(yè)微生物資源團(tuán)隊(duì)關(guān)于土壤微生物特殊性功能決定群落穩(wěn)定性的最新研究成果（Specialized metabolic functions of keystone taxa sustain soil microbiome stability）。傳統(tǒng)的群落穩(wěn)定性評價(jià)主要基于抵抗力（Resistance）和回復(fù)力（Resilience）兩個(gè)指標(biāo)，該研究基于目前土壤微生物群落研究主要利用高通量測序并產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的情況，創(chuàng)新性提出并驗(yàn)證了一種新的評估微生物群落穩(wěn)定性的平均變異度指數(shù)（Average Variation Degree, AVD），將群落穩(wěn)定性指數(shù)化，該模型具有不受組內(nèi)樣本數(shù)量限制的優(yōu)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，隨土壤微生物多樣性下降，群落平均變異度指數(shù)提高，穩(wěn)定性降低。構(gòu)建隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)模型分析了微生物群落的功能基因組成，發(fā)現(xiàn)土壤“氮代謝”和“磷代謝”相關(guān)的功能基因是決定群落穩(wěn)定性的最關(guān)鍵功能；同時(shí)，構(gòu)建功能基因共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)這些關(guān)鍵功能基因也是網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵樞紐成員，這些樞紐功能基因隨微生物多樣性下降而減少，導(dǎo)致共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模塊性降低，穩(wěn)定性下降。進(jìn)一步對“氮磷代謝”功能基因進(jìn)行物種注釋，發(fā)現(xiàn)所有細(xì)菌類群的相對豐度都隨微生物多樣性下降而降低，其中以硝化螺旋菌屬（氮代謝）和芽單胞菌屬（磷代謝）為代表的類群可能是維持土壤微生物群落穩(wěn)定的核心成員。該研究提出土壤微生物的氮磷代謝的特殊性生態(tài)功能和相關(guān)細(xì)菌類群在維持微生物群落穩(wěn)定中的重要作用，對破譯土壤微生物多樣性和系統(tǒng)生態(tài)功能之間的關(guān)系具有重要的指導(dǎo)意義，可以為未來調(diào)控土壤微生物組促進(jìn)土壤生態(tài)功能的穩(wěn)定發(fā)揮提供理論指導(dǎo)。
該研究由我國科研人員獨(dú)立完成，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)荀衛(wèi)兵副教授和農(nóng)業(yè)微生物資源團(tuán)隊(duì)劉云鵬副研究員為論文共同第一作者，張瑞福研究員為論文通訊作者，該研究同時(shí)得到國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程、中國科協(xié)青年人才托舉工程等項(xiàng)目的資助。
張瑞福研究員近年來圍繞農(nóng)田土壤微生物多樣性以及根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能裝配方面開展了一系列研究工作，研究成果闡明了土壤微生物組結(jié)構(gòu)和功能的主要驅(qū)動(dòng)因素（Soil Biology and Biochemistry, 2015 & 2016; Environmental Microbiology, 2016; Microbiome, 2018），揭示了微生物組特殊性功能決定群落裝配過程的新機(jī)制（Nature Communications, 2019），提出了作物根際微生物組結(jié)構(gòu)裝配的功能補(bǔ)償機(jī)制（Soil Biology and Biochemistry, 2020）。
論文鏈接：https://doi.org/10.1186/s40168-020-00985-9
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