神农架国家公园森林土壤真菌的海拔分布格局和形成机制

摘要

土壤微生物是陆地生态系统的分解者，土壤真菌作为其中重要的类群，不仅是生物地球化学循环和能量流动过程中必不可少的推动者，也是气候和环境变化的重要指示者，因此，认知土壤真菌的生物地理分布格局及其形成机制是至关重要的。由于技术上的限制，土壤真菌一直没有得到广泛而深入的研究。近年来，随着宏基因组学技术的快速发展，学者们开始逐步深入探索土壤真菌的多样性机制，发现其具有一定的空间分布格局，为揭示生态系统功能变化的机制提供了理论和实践指导意义。
　　神农架国家公园位于湖北省西北部林区，孕育着十分丰富的生物资源，具有典型的海拔梯度特征，为研究生物多样性的海拔分布格局提供了理想场所。本研究以神农架国家公园海拔梯度上(1000-2800 m)的5种不同森林类型为研究对象，采用高通量测序技术和微生物功能基因芯片技术，分析了土壤真菌的海拔分布格局和形成机制:
　　(1)利用高通量测序技术研究了土壤真菌在神农架国家公园的不同海拔梯度上的空间分布格局及其形成机制。结果表明，38.83％的OTUs属于接合菌门，34.76％属于担子菌门，25.86％属于子囊菌门。随着海拔高度的上升，接合菌门的相对丰度显著下降，担子菌门相对丰度显著上升，而子囊菌门无显著的海拔变化。除趋势对应分析(DCA)和不相似性检验表明5个样地的土壤真菌群落结构之间存在显著差异。随着海拔梯度的增加，土壤真菌的α多样性显著降低(P＜0.01)，与植物α多样性的趋势相同。土壤真菌的β多样性随着海拔距离的增加显著升高。Null模型分析得知，确定性过程主导不同植被类型之间的构建机制，而随机性过程主导同一植被类型内部的构建机制。皮尔逊相关性分析和partial Mantel test分析都表明年均气温和年均降水量是影响森林土壤真菌多样性海拔分布的主要环境因子。
　　(2)通过高通量测序技术和微生物功能基因芯片技术研究阔叶林演替对土壤真菌的群落和代谢潜力的影响。结果表明，落叶阔叶林中的土壤真菌丰富度指数在物种(P=0.079)和功能基因(P=0.01)两个水平上均高于常绿阔叶林，DCA表明两个样地的真菌群落结构存在显著差别。接合菌门是两种植被类型土壤中的优势菌门，但是两种样地中优势属却不同。分子生态学网络分析显示两个样地之间的网络结构显著不同。演替之后，多种易降解性碳基因的相对丰度显著增加(P＜0.05)，碳循环相关功能基因的相对丰度与土壤有机碳、水溶性土壤有机碳和易降解性土壤有机碳含量呈显著负相关，这可能加速了落叶阔叶林中土壤有机碳的降解过程。
　　(3)林线是气候变化的“指示灯”，以林线上下分布的灌木林和冷杉林为研究对象，研究了土壤真菌的群落结构。结果表明，两种植被类型的土壤优势菌门、属和种类不同，针叶林和灌木林的优势菌门分别是担子菌门和接合菌门。DCA和不相似性检验表明两种林型的土壤真菌群落结构存在显著差异，且针叶林土壤真菌多样性指数（香农指数、Chao值和丰富度指数）均显著(P＜0.05）高于灌木林。典范对应分析(CCA)和Mantel test显示土壤真菌群落结构与土壤pH、植物多样性、土壤温度和土壤湿度存在显著相关性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 研究背景及意义

1．1．2 土壤真菌多样性研究进展

1．1．3 研究土壤真菌的技术方法

1．1．4 生物信息学数据分析方法

1．1．5 神农架国家公园概况

1．2 研究目标和主要研究内容

1．3 研究技术路线

第二章 土壤真菌多样性的海拔梯度格局和形成机制

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 样地设置与土壤样品采集

2．2．2 土壤理化性质和植物参数的测定

2．2．3 土壤微生物基因组DNA提取、纯化和定量

2．2．4 Illumina测序及其数据预处理

2．2．5 数据分析

2．3 结果与分析

2．3．1 土壤理化性质和植物多样性

2．3．2 土壤真菌的群落结构

2．3．3 土壤真菌多样性的海拔梯度分布

2．3．4 土壤真菌群落的生态构建过程

2．3．5 影响土壤真菌群落结构海拔分布的主要环境因子

2．4 讨论

2．5 小结

第三章 阔叶林演替对土壤真菌群落和代谢功能的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 样地设置与土壤样品采集

3．2．2 土壤理化性质和植物参数的测定

3．2．5 功能基因芯片技术及其数据预处理

3．2．6 土壤真菌功能基因分子生态学网络结构的构建

3．2．7 数据分析

3．3 结果与分析

3．3．2 不同阔叶林土壤真菌群落结构组成和多样性

3．3．3 土壤真菌的碳、氮循环相关功能基因

3．3．4 土壤真菌功能基因的分子生态学网络分析

3．2．5 森林演替的土壤真菌群落结构的控制因子

3．4 讨论

3．5 小结

第四章 神农架国家公园林线过渡带的土壤真菌多样性

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．3 土壤微生物基因组DNA提取、纯化和定量

4．2．4 Illumina测序及其数据预处理

4．2．5 数据分析

4．3 结果与分析

4．3．1 土壤理化性质和植物多样性分析

4．3．2 林线上下的土壤真菌群落结构和多样性

4．3．3 影响林线处土壤真菌群落的主要环境因子

4．4 讨论

4．5 小结

第五章 结论与讨论

5．1 结论

5．2 讨论

5．3 展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢