典型环境梯度下土壤微生物的地理分布特征及其生态学机制

博士学位论文典型环境梯度下土壤微生物的地理分布特征及其生态学机制作者姓名：王军涛指导教师:贺纪正研究员学位类别:理学博士学科专业:生态学培养单位:中国科学院生态环境研究中心2015年05月BiogeographicdistributionpatternsandtheecologicalmechanismsofsoilmicrobialcommunitiesalongtypicalenvironmentalgradientsByJuntaoWangADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofNaturalScienceResearchCenterforEco-environmentalSciences,ChineseAcademyofSciencesMay,2015独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：___________________日期：_________________关于论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院生态环境研究中心有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院生态环境研究中心有权保留送交论文及复印件，允许论文被查阅和借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用复制或其他手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：_____________导师签名：_________________日期：__________________本研究受中国科学院-环境保护部“全国生态环境十年变化（2000-2010年）遥感调查与评估”项目“典型生态系统土壤微生物生态空间特征评价”课题（STSN-21-02）以及国家自然科学基金重点项目“典型生态系统类型下土壤微生物群落的地理分布特征”(41230857)资助。ThisworkwasfinanciallysupportedbygrantsfromNationalNaturalScienceFoundationofChina(41230857)andChineseAcademyofSciences&MinistryofEnvironmentalProtection(STSN-21-02).致谢I致谢师者，所以传道授业解惑也。——唐·韩愈《师说》我想把这句话作为心中最真挚的感谢送给我的导师贺纪正研究员，因为贺老师给我的感觉是他就是韩愈这句话最直接最形象的写照：一篇小文章，我自己本来觉得随便写写就行，贺老师却把我喊过去，逐个单词逐个句子地把一整篇文章给我改过，甚至小数点和标点符号的问题都给我指出来，让我直觉羞惭，也意识到认真的态度在科研的任何时候都是必不可少的，此为传道；贺老师根据我的背景给我安排了前沿的研究课题，充满了交叉学科的挑战也极大地锻炼了我的能力，此为授业；在我遇到数据分析瓶颈、面对一大堆的结果不知道如何下手的时候，贺老师点醒了我，告诉我模型和网络的方法是解决当前问题的有效方法，有如醍醐灌顶让我豁然开朗，此为解惑。每次与贺老师的交流也都使我受益匪浅。我想对我的师弟师妹们说其实我们是很幸运的，因为我们的老师是一个真正的启发式的导师而非填鸭强迫式的老板。我们要克服惰性别偷懒，不要辜负了贺老师这份谆谆教诲之后的期望。感谢课题组郑袁明副研究员和张丽梅副研究员。无论是郑老师把握全局的高屋建瓴，还是张老师深入细节的一丝不苟，都是值得我去努力学习的优秀特质。科研之余也承蒙两位老师屡屡关照，不胜感谢。沈菊培、刘玉荣和韩丽丽三位老师平常在生活和工作中亦多加照拂，在此一一谢过。这里还要特别感谢胡行伟，这个工作狂打一个多小时的越洋电话来纠正我在写文章中犯的错误，无论是认真的态度还是热心肠都让我动容。虽然我嘴上不肯喊他师兄，但是在心里一直把他作为我学习的榜样。从2011年进入课题组到现在，四年的科研生活虽然辛苦但也欢乐：既跟曹鹏师姐、韩朋和向亮两位师弟一起在实验室从早到晚轮班倒，也曾研究数据处理到大半夜然后和袁超磊师弟结伴回到租住的地下室并在路上讨论给白天见到的美女打多少分；既和曾军、白刃等一起随华中农大的刘凡教授在西藏挖过坑、尝过正宗的墨脱石锅牛肉和酥油茶，也曾膝盖手术后躺在床上巴巴等着李培培师姐给我送茄子炒西红柿。就读期间课题组陈家瑞、ClaudioColombo教授、戴宇、董继鑫、郭峰、韩雪梅、李君剑、李希、刘若萱、龙锡恩、Moni、Subbu、孙翼飞、王冰清、王庆、吴凡、于丹婷、章海霞、张翠景、张丹丹、张贵友、张健、张苗苗、张琼、张晓霞等其他成员，以及已经毕业的郑勇师兄和陈新师姐等都给典型环境梯度下土壤微生物的地理分布特征及其生态学机制II予帮助，在此表示感谢，也感谢朱永官研究员及土壤室其他各位老师与同学们的帮助。感谢陈保冬研究员团队和陈卫平研究员团队在生态十年项目中的良好合作，并感谢2012年在东北地区进行样地调查过程中欧阳志云研究员的协调以及黑龙江林业厅黄俊洋处长的大力帮助。同时，也感谢东北农业大学袁强教授、东北林业大学郑宝江教授、大兴安岭盘古镇张国文师傅以及调查小组成员陈永亮、赖阳均、徐天乐、郑立保、蒋先锋等在工作上的支持与配合。与生物技术室邓晔研究员的多次交流使我受益良多，在此谢过。感谢研究生部曹青、冯娟、姜娜娜，公共实验平台王巧环、傅慧敏，材料供应处刘云霞等以及生态中心其他相关部门的各位老师的帮助，也感谢我的室友时鹏。感谢我科研的启蒙恩师林先贵研究员和尹睿副研究员，“做人做事做学问”的教诲学生至今不敢忘。同时也感谢胡君利、王俊华等各位老师以及南京土壤所土壤微生物多样性课题组其他已经毕业和未毕业的成员们的帮助，我的金陵因你们而精彩。感谢我的母校中国农大，感谢那段最青葱的岁月，还有毕崇耀、丁小慧、胡天宇、梁金松、王健、肖禾等和我一路走过来的朋友们。感谢一直相信和支持我的亲人们。父母生养之恩和岳父母教导之情无以为报。儿只说：羊跪乳，鸦反哺，人之情，孝父母。把这里最后一份感谢留给一直支持和陪伴我的爱人李晶。所有的语言汇成一句话：有妻如此，夫复何求？自七岁上学，到现在已近而立之年，用了二十三年的时间终于完成了从学生角色的转换。学生生涯已然尽，学习生涯无绝期。无论科研工作，无论生活，都还有着许许多多需要我去学习的知识和挑战的困难。而这二十多年积累的所有的你们，是我所依仗的最大财富。全新的2015，我张开双臂拥抱你的到来！王军涛2015年05月摘要I摘要微生物地理学是由对微生物的功能研究所驱动的、探索不同时空尺度下微生物群落和多样性分布规律的学科。免培养的宏基因组学技术实现了对微生物群落的无偏调查，尤其是高通量技术呈指数倍地提升所能获得的微生物信息，从而使研究达到了由量变到质变的飞跃。数据的爆发式增长为全面考察微生物的地理分布格局提供了便利，也给现有的微生物地理研究思路带来新的挑战。如何在未来突破“测序-描述-相关分析”的单一研究套路、将微生物地理学研究有效地融入生态学整体框架之下并充分利用微生物研究的优势，从而进一步探索相关生态学问题，需要我们提前思考。空间尺度及在空间尺度上衍生出来的环境梯度，是决定当前生物多样性地理分布特征的主要原因。不同空间尺度上存在的温度、水分、土壤等各种环境条件是已知的动物和植物地理分布的重要驱动因子。本论文利用分子生态学中的聚合酶链式反应（PCR）、实时荧光定量PCR、高通量的454焦磷酸测序（Pyrosequencing）和IlluminaMiseq测序等实验技术，通过相关、回归、因子分析、排序、距离线性模型等多种数据分析手段，并使用网络构建、结构方程模型SEM等方法，系统地对局域尺度的海拔梯度和区域尺度的纬度梯度上土壤微生物的多度、群落组成和多样性的地理分布特征及生态学驱动机制进行了研究，并结合对植物群落的样方调查，进一步考查了微生物与植物多样性格局的关系。论文的主要研究内容与成果如下：1.从我国西藏林芝地区的色季拉山海拔3118米到4477米之间的8个海拔梯度上采集了24个土壤样本，通过对16S和18SrRNA基因进行荧光定量PCR和454焦磷酸测序，研究了土壤细菌、古菌和真菌沿海拔梯度上多度、群落组成和多样性的垂直分布特征。结果表明，细菌和古菌多度在海拔梯度上无明显的格局，真菌的多度随海拔升高而显著降低。细菌中酸杆菌在低海拔土壤中占的比例度低于中高海拔地区；古菌MBGA在中海拔地区的相对多度最高；真菌群落组成无明显梯度变化。不同分类水平上，细菌和古菌的Shannon和Faith多样性指数随着海拔升高而显著降低，真菌Faith指数随海拔升高而显著降低。总体而言，来自相邻海拔地区的土壤微生物群落的相似度更高，表明土壤微生物存在着类似植物的垂直带谱特征。因子分析和距离线性模型的结果都表明，土壤pH对于微生物垂直分布格局的影响要大于温度、植被和水分等条件。2.从我国东部第一阶梯北纬18度到北纬55度的纬度梯度上，包括热带雨林、亚热带常绿阔叶林、暖温带落叶阔叶林、中温带针阔混交林和寒温带落叶针叶林在内的五种森林生态系统中，采集了300个土壤样本。通过荧光定量PCR典型环境梯度下土壤微生物的地理分布特征及其生态学机制II和IlluminaMiseq高通量测序的方法，研究了不同森林生态系统中微生物群落结构的变化及沿纬度梯度的变化特征。结果表明，在不同的分类水平上，森林生态系统类型之间的微生物群落结构存在明显差异：门的水平上落叶针叶林和针阔混交林土壤中疣微菌比例高于南方土壤，偏酸性的热带雨林和常绿阔叶林土壤中芽单胞菌的比例低于其他森林土壤；OTU水平上的beta多样性分析表明同一森林生态系统土壤微生物群落明显区别于其他森林生态系统。微生物的多度和多样性在纬度方向上的变化规律并不明显。3.在上述跨越了37个纬度梯度的五种森林生态系统中，调查了300个20米×20米的样方中木本植物和草本植物群落组成，并考查了地上植物与地下土壤微生物群落的联系以及驱动生物多样性纬度格局的机制。结果表明，随着纬度增加，木本植物的丰富度呈现极显著的线性降低格局，而草本植物和土壤微生物的丰富度用三次曲线拟合方能勉强解释。无论是在丰富度还是beta多样性上，土壤微生物与草本植物之间的相关性都高于与木本植物的相关性。结构方程模型分析结果表明，土壤pH作为驱动微生物丰富度格局的首要因子，在很大程度上也影响了草本植物的丰富度格局，但是对木本植物的影响不显著；气候、地理隔离以及土壤pH等因子对土壤微生物和草本植物的beta多样性格局都有重要影响，而木本植物的beta多样性则主要受到了地理隔离的影响。网络分析的结果表明，不同森林生态系统中，地上-地下共存网络的复杂程度不同，但是驱动碳氮循环的微生物在网络中都处于重要的支配地位。4.综合以上研究结果，在不同的空间尺度和环境梯度下，土壤微生物能够表现出与植物类似的地理分布特征，但与分类水平密切有关；在不同的空间尺度上，土壤pH作为微生物地理格局的首要驱动因子的作用要大于植被、温度、水分等环境条件的影响。本论文将微观生态学的分子生物学技术和宏观生态学的样地调查方法相结合，并通过多种生物统计分析，在局域尺度上的海拔梯度和区域尺度上的纬度梯度上揭示了土壤微生物沿环境梯度的地理分布特征及其驱动机制。本研究得到的结果和结论为深入揭示不同生态系统中土壤微生物的功能变化提供了重要的支撑，同时对进一步联系宏观和微观生态学、揭示生物分布的一般规律具有重要科学意义。关键词：海拔梯度、纬度梯度、微生物地理学、生物多样性、高通量测序ABSTRACTIIIABSTRACTMicrobialbiogeographyisthestudyofgeographicdistributionpatternsofmicrobia