中国典型区域水稻土微生物生态多样性及其与溶解性有机质化学多样性的生态关联

摘要

微生物介导了水稻土中的各种生物地球化学过程，而它们的群落组成对水稻田生境的碳循环、温室气体的产生与消耗、金属矿物的形态、污染物的降解以及作物产量具有重要影响。因此，有必要深入地了解水稻土中微生物群落的结构、物种和功能组成在大尺度范围内的分布特征和驱动因子。同时，溶解性有机质(DOM)在水稻土的生物地球化学过程中也扮演着重要角色，而研究者对在空间尺度下DOM分子的化学多样性特征知之甚少，更不用说DOM分子与微生物群落之间的生态关联性。因此，有必要深入地了解水稻土中DOM分子组成在大尺度范围内的分布特征及其驱动因子。此外，还有必要进一步探讨微生物多样性与DOM分子化学多样性是否存在生态关联性。据此，本研究选取中国三江平原、两湖平原、太湖平原和哈尼梯田四个典型的水稻种植区，采集水稻土和其他生境土壤样品，并借助扩增子测序，宏基因组测序和高分辨质谱技术，探究了水稻土微生物群落空间分布特征以及其环境因子响应规律;再基于网络分析，探究了水稻土微生物群落共现和互斥的相互作用模式，以及环境因子对微生物群落组成变化的驱动机制;最后，在表征DOM分子的地理学分布模式及其环境因子响应规律的基础上，进一步验证并表征了DOM化学多样性与微生物物种和功能多样性的生态关联性。主要研究结果如下: 1)水稻土具有独特的微生物群落组成。水稻土微生物与非水稻土相比具有显著更低仅多样性（丰富度、多样性和均匀度）。水稻土样品在（除非加权的PINA外）所有β多样性矩阵中，都显著区别于非水稻土样品。同区域或全区域的水稻土和非水稻土土壤中的绝大多数物种都表现出显著差异。在功能潜能（基因）组成上，水稻土的微生物组也与非水稻土显著不同。气候、地理学因子以及pH、电导率、实时气温、土温对水稻土菌群分布具有显著的影响。在个体物种的水平上(OTUs)，绝大多数微生物物种都受到其他物种的影响或影响着其他物种，而只有少数微生物物种受到环境因子的较强的直接影响。 2)水稻土微生物共现网络中的大多数相互关系都是独特的;同时，水稻土微生物共现或互斥关系具有显著的区域性特征。在水稻土与非水稻土共现网络中，多数优势物种的拓扑指数都具有显著的差异。水稻土微生物共现网络，主要由两个菌群模块组成，且它们之间具有广泛的负相关。这两个模块的物种组成，拓扑学特征和功能潜能均具有显著差异;它们的中心节点(hubs)的物种分类学组成也具有显著差别。大空间尺度内，环境因子对水稻土微生物群落多样性的影响，可能主要是通过驱动网络中的hubs物种的丰度变化，进而改变其所在菌群模块的消长而实现。 3)DOM分子组成与微生物群落一样，也具有显著的地理分布模式;且该模式亦由地理距离、月均降水、pH、年均温度、海拔高度等环境因子，以及微生物群落组成特征所驱动。其中，微生物的群落组成对DOM分子组成的影响最大;同样的，DOM分子组成的β多样性特征也可解释最多的微生物β多样性变化。 4)本研究验证并表征了DOM分子组成特征和微生物群落的物种组成、功能基因组成特征间的生态关联性。DOM分子中，多肽、糖类和不饱和脂肪族化合物分子丰度的增加，以及多酚和多环芳烃化合物分子丰度的减少，与一些微生物（如属Syntrophobacterales、Thermoleophilia、Geobacter，所有产甲烷菌属等）的丰度变化显著相关。这些DOM分子的变化还与微生物代谢通路（如厌氧固碳、糖酵解、木质素分解、发酵和产甲烷等）的变化相关。 本论文将分子生物学技术和质谱技术相结合，通过多种生物统计分析方法，揭示了中国由北至南四个典型水稻种植区域的淹水稻田耕作层土壤微生物的地理分布特征和驱动机制。本研究所得结果或结论为深入揭示长期人类活动影响下的土壤微生物群落的构建规律，以及微生物群落与DOM分子组成的生态关联本质具有重要科学意义。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

插图和附表清单

1文献综述

1．1 引言

1．2研究背景与现状

1．2．1土壤微生物多样性与微生物地理学

1．2．2宏基因组学对微生物多样性和地理学研究的推进

1．2．3微生物地理学理论的发展

1．2．4微生物局部与地理分布多样性的影响因素

1．2．5土壤有机质与微生物——土壤连续模型

1．2．6 DOM化学多样性研究

1．3研究设想

1．3．1研究目的与意义

1．3．2研究主要内容

1．3．3研究方法与核心技术

1．3．4技术路线图

2我国典型水稻田土壤样品的采集

2．1典型水稻种植区域的选择

2．2水稻田土壤样品的采集、运输与储存

2．3实时数据采集及地理、气候信息的收集

2．4基础理化性质测试

3水稻田土壤微生物群落多样性特征

3．1引言

3．2实验材料与方法

3．2．1采样点信息

3．2．2 16S rRNA基因测序与分析

3．2．3随机森林模型

3．2．4统计分析

3．3研究结果

3．3．1水稻土微生物群落独特的组成和多样性特征

3．3．2水稻土细菌群落多样性和物种分类的空间变异性

3．3．3生物和非生物因子对微生物群落的影响

3．3．4水稻土与周边土壤微生物群落的功能潜能差异

3．4讨论

3．5本章小结

4．1引言

4．2实验材料与方法

4．2．1采样点信息

4．2．2构建共现网络

4．2．3共现网络的拓扑特征分析

4．3研究结果

4．3．1水稻土微生物共现网络的构建与基本特征

4．3．2水稻土微生物共现网络中的交互关系模式分析

4．3．3水稻土微生物共现网络的模块化分析

4．3．4环境因子对水稻土微生物共现网络结构的驱动机制

4．4讨论

4．5本章小结

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．1采样点信息

5．2．2土壤样品DOM溶液的提取

5．2．3 FT-ICR-MS进样样品的制备与分析

5．2．4 FT-ICR-MS数据的分析

5．2．5 16S rRNA基因测序和分析

5．2．6 DOM和细菌的多样性计算和多元分析

5．3研究结果

5．3．1水稻土微生物的生物地理学分布特征

5．3．2水稻土DOM的生物地理学分布特征

5．3．3 DOM分子地理学分布的影响因子分析

5．4讨论

5．5本章小结

6微生物多样性与溶解性有机质化学多样性的相关性

6．1引言

6．2材料与方法

6．2．1采样点信息

6．2．2鸟枪法测序，宏基因组拼接与注释

6．2．3 DOM和细菌的多样性计算和多元分析

6．3研究结果

6．3．1表征DOM分子组成和细菌分类学组成的关联性特征

6．3．2微生物分类单元与DOM分子共变的影响因子

6．3．3 DOM分子组成与微生物功能潜能的相关性分析

6．4讨论

6．5本章小结

7．1主要结论

7．2创新点

7．3研究展望

参考文献

附录

作者简介