土壤微生物生物地理学研究进展

生物地理学是研究生物（包括种群、群落等不同层次）地理分布格局及成因的一门交叉学科。微生物生物地理学的研究长期滞后于宏生物地理学。鉴于土壤微生物在调控生物地球化学过程和维持生态系统功能方面的重要作用,对其空间分布格局及形成机制的认识具有十分重要的理论和实际意义。随着分子生物学技术的发展,对微生物多样性的认知日益深入。越来越多的证据表明,土壤微生物群落结构和多样性具有一定的时空分布格局,从而对微生物全球性随机分布的传统观点提出了挑战。对当前土壤微生物生物地理学研究中的一些概念性问题,如微生物物种的定义、微生物多样性的定量测度、对微生物全球性随机分布的争论等,进行了系统评述;以微生物种-面积关系和距离-衰减关系为例对当前最新的土壤微生物生物地理学研究成果进行总结,并初步探讨了土壤微生物群落的地带性分布问题;在传统生物地理学理论的指导下,提出了一个可用于验证土壤微生物空间分布格局形成和机制维持的简单研究框架。这些对今后土壤微生物生物地理学的研究有一定借鉴和指导意义。     

植物边缘种群遗传多样性研究进展

边缘种群指地理分布边缘可检测到的一定数量的同种个体集合, 准确评价其遗传多样性对于理解第四纪冰期后气候变化对物种边缘扩展或收缩、遗传资源保护与利用以及物种形成等有重要意义。该文探讨了维持植物边缘种群遗传多样性的进化机制, 分析交配系统对物种边缘及其遗传多样性的影响, 比较了边缘与中心种群遗传多样性的差异及其形成的生态与进化过程, 并探讨了边缘种群遗传多样性与其所在的群落物种多样性的关系及理论基础。该文提出今后研究的重点是应用全基因组序列或转录组基因序列研究前缘-后缘种群之间或边缘-中心种群之间的适应性差异, 边缘种群与所在群落其他物种之间相互作用的分子机制, 深入解析边缘种群对环境的适应及边缘种群遗传多样性与群落物种多样性关系的生态与进化过程。     

植物边缘种群遗传多样性研究进展

边缘种群指地理分布边缘可检测到的一定数量的同种个体集合,准确评价其遗传多样性对于理解第四纪冰期后气候变化对物种边缘扩展或收缩、遗传资源保护与利用以及物种形成等有重要意义。该文探讨了维持植物边缘种群遗传多样性的进化机制,分析交配系统对物种边缘及其遗传多样性的影响,比较了边缘与中心种群遗传多样性的差异及其形成的生态与进化过程,并探讨了边缘种群遗传多样性与其所在的群落物种多样性的关系及理论基础。该文提出今后研究的重点是应用全基因组序列或转录组基因序列研究前缘-后缘种群之间或边缘-中心种群之间的适应性差异,边缘种群与所在群落其他物种之间相互作用的分子机制,深入解析边缘种群对环境的适应及边缘种群遗传多样性与群落物种多样性关系的生态与进化过程。     

全球变化背景下内蒙古草原土壤微生物多样性维持机制研究进展

全球变化对人类环境的影响是近几十年世界广泛关注的热点之一。内蒙古草原不仅是我国重要的牲畜和饲料生产基地, 而且有着不可替代的生态系统功能。土壤微生物是地球上多样性最高的生物类群, 在驱动碳氮循环等多种生态系统过程中发挥着至关重要的作用。由于研究技术的限制和群落结构复杂等原因, 土壤微生物生态学研究还处于描述性阶段, 理论研究还很缺乏。鉴于此, 利用分子生物学技术尤其是新一代测序技术, 从理论层面上系统地研究全球变化背景下我国北方草地微生物多样性的维持机制具有重要意义。本文在比较各种环境变化对土壤微生物群落的相对影响的基础上, 分析全球变化对微生物多样性影响的物理化学和生态学机制, 并对未来内蒙古草原微生物多样性的重点研究领域进行了展望, 包括: (1)加强全球变化多因素综合研究; (2)加强微生物多样性维持的生态学机制的研究; (3)加强地上与地下多样性关联机制的研究; (4)加强全球大尺度多生态系统的整合研究。     

土壤微生物群落抵抗力和恢复力研究进展

人类活动的不断加剧使得土壤生态系统承受着环境干扰压力。土壤微生物受到环境干扰的响应程度（抵抗力）及恢复至原来状态的能力（恢复力）决定着土壤生态系统的可持续性。梳理和总结了土壤微生物群落对环境干扰的抵抗力和恢复力方面的研究进展。首先,在介绍土壤微生物群落抵抗力和恢复力概念的基础上,阐述了通过评估微生物群落的结构和功能的变化来系统表征抵抗力和恢复力;随后,分析了最近十年（2012-2021年）有关文献,发现土壤微生物群落的结构和（或）功能在环境干扰后的恢复力总体较弱,但耕作、有机物料添加和轮作等农田管理措施下的响应趋势表现出一定的规律性;继而,从个体水平的休眠和胁迫忍耐、种群水平的生存策略、群落水平的多样性和相互作用以及生态系统水平的历史遗留效应等方面分析了土壤微生物群落抵抗力和恢复力的维持机制;最后,从功能性状、多功能性和植物-土壤微生物整体性对未来研究做出了展望,以期为构建土壤健康评价体系及预测环境干扰对土壤功能的影响提供科学依据。     

微生物性状揭示物种分布格局、群落构建机制和生态系统功能

微生物性状是指与其存活、生长和繁殖紧密相关的一系列核心属性,这些属性能够反映微生物对环境变化的响应,进而影响微生物的物种分布格局、群落构建机制以及相应的生态系统功能。越来越多的研究表明,相比于微生物分类学信息,微生物性状可以在种群、群落和生态系统尺度等视角扩展我们对微生物生态过程的理解,并提供生态模式的机理性解释。本文回顾微生物性状研究的发展历程,总结近年来基于微生物性状研究的前沿科学问题,比如微生物性状的分类和测定方法、基于性状的功能多样性定义及应用、性状与物种分布格局和群落构建机制的关系、性状对生物多样性和生态系统功能的影响以及对环境变化的响应等。尽管微生物性状研究已经延伸到生态学领域的各个方面,有力推动着各个前沿科学问题的研究发展,但是仍然面临很多机遇与挑战。因此,本文也从研究方法和研究方向等方面对未来基于微生物性状的研究提出了展望。     

南亚热带混交人工林树种丰富度与土壤微生物多样性和群落组成的关系

森林植被与土壤微生物作为森林生态系统的重要组成部分,它们之间的相互作用对维持森林生态系统功能和稳定性起着重要作用。以往多在天然草地和森林生态系统开展植物多样性与土壤微生物多样性关系的研究,但人工构建的多树种混交林生态系统中树种多样性对土壤微生物群落组成的影响及其机制尚不完全清楚。因此,以南亚热带人工块状造林后自然恢复形成的多树种混交森林生态系统为研究对象,利用高通量测序技术研究了随树种丰富度（1-10种）变化土壤细菌和真菌多样性的变化规律及主要影响因子。结果表明,随树种丰富度增加,土壤真菌α多样性显著提高,但土壤细菌α多样性差异不显著;不同树种丰富度梯度间土壤细菌和真菌的群落结构组成均差异显著;Pearson相关分析表明土壤细菌α多样性主要受土壤pH和土壤铵态氮影响,而土壤pH和有效磷是土壤真菌α多样性的主要影响因子。距离冗余分析（db-RDA）表明,对土壤细菌群落组成产生显著影响的环境因子分别为土壤pH、硝态氮和芳香碳组分,而土壤有机碳、硝态氮、细根生物量和氧烷基碳组分是影响土壤真菌群落组成的主要因子。本研究的结果说明了南亚热带人工林不同树种混交后形成多树种混交林生态系统的过程中,树种组成和多样性的变化通过改变土壤理化性状和根系生物量对土壤微生物群落组成有显著影响,为制定该区域人工林通过树种丰富度合理组配调控提升地下生物多样性及生态系统功能的经营策略提供了科学依据。     

土壤微生物多样性海拔格局研究进展

生物多样性的海拔分布格局与维持机制是生物多样性与生态系统功能研究的热点领域。相比动植物多样性海拔分布格局,土壤微生物多样性海拔分布格局的研究还处在起步阶段。近年来,随着以罗氏454、Illumina Mi Seq等为代表的高通量测序平台的发展,土壤微生物海拔梯度分布格局的研究进展较快。对土壤微生物多样性海拔分布格局最新研究综述发现,土壤微生物海拔分布模式并不明确,表现为无趋势、下降、单峰或者下凹型等多种海拔分布模式。这与大型动植物并不相同,暗示其驱动机制可能存在一定的差异。微生物由于其个体微小、扩散能力强以及较高的多样性和个体丰度而在局域尺度上可能更易受到气候环境因素的影响。土壤pH、碳、氮等因子是影响微生物多样性和群落组成在海拔梯度上变异的重要因素。此外,温度和降水也具有重要作用。另外,除微生物自身属性以及取样限制外,测序深度可能是影响土壤微生物物种丰富度海拔分布格局的重要因素。目前,对土壤微生物群落的研究在功能基因、群落构建机制以及生态学理论的验证方面还存在着不足。未来的研究应进一步加大测序深度,增加取样密度,着重关注全球气候变化及生物多样性丧失背景下土壤微生物群落的构建和维持机制及其生态系统功能等方面。     

荒漠啮齿动物群落对开垦干扰的响应及其种群生态对策

开垦对功能相对脆弱的荒漠生态系统是重要的干扰,这种干扰往往导致栖息地破碎化,并对动植物群落产生强烈影响。作为荒漠生态系统的重要成分,啮齿动物群落受到开垦干扰后对环境的响应及其群落中种群的生态对策,是荒漠生态系统生物多样性及其功能维持稳定的重要基础。2006～2011年,采用标志重捕法对内蒙古阿拉善荒漠区未开垦和开垦草地啮齿动物群落格局及其不同生态对策种群的数量组成进行了专门研究。目的（1）明确开垦干扰下啮齿动物群落格局时间尺度变化;（2）验证假设：人为干扰区（开垦区）啮齿动物群落中r?对策者占据优势,未干扰区（未开垦区）以K?对策者为主;（3）依据啮齿动物群落中不同生态对策种群的数量组成来判断群落所受干扰的程度。结果表明,开垦干扰降低了啮齿动物群落多样性,改变了群落中不同生态对策种群的数量组成,种群以r?对策者为优势;未开垦区啮齿动物群落中以K?对策种群为主。开垦区啮齿动物群落受到严重干扰。     

云南松林次生演替阶段土壤细菌群落的变化

土壤细菌多样性是维持森林生态系统功能的关键因子,森林演替是影响其动态变化的重要因素。研究云南松林不同演替阶段土壤细菌群落结构及其多样性的变化规律,有助于深入理解森林生态系统恢复过程的驱动机制。本研究以云南省永仁县皆伐后形成的针叶林、针阔混交林和常绿阔叶林为对象,基于Illumina Hiseq高通量测序技术,分析森林演替过程中土壤细菌群落组成、结构、多样性及其影响因子的变化。结果表明: 土壤细菌的种群分类单元、Ace指数、Chao1指数和Shannon指数均随着演替进行呈减少趋势,演替早期阶段土壤的细菌总数、菌群丰富度及复杂程度最高。不同演替阶段细菌群落结构存在显著差异,其中,针阔混交林的差异最大,变形菌门和酸杆菌门为各演替序列共有的优势类群,放线菌门、绿弯菌门和Patescibacteria是演替早期的优势类群,且随着演替进行呈现减少趋势;变形菌门和WPS-2相对多度随演替进行呈增加趋势。土壤pH和乔木层物种丰富度是驱动次生演替过程中土壤细菌群落组成变化的关键因子。随着演替的进行,土壤细菌多样性减少,群落组成差异加大。     

城市土壤微生物多样性研究进展

城市化对生物多样性的影响是当前生态学研究的热点之一, 引起了人们的广泛关注。土壤微生物多样性是城市生物多样性的重要组成部分, 对维持城市生态系统的健康稳定具有重要意义和作用。近年来, 已有研究关注城市土壤微生物群落结构及多样性, 回答了一些关键问题, 但缺乏系统的总结与论述。基于此, 本文分析了城市化对土壤微生物特性、群落组成、功能和多样性的影响, 总结了影响城市土壤微生物多样性的主要因素, 发现城市化改变了土壤微生物组成和功能, 并且对细菌和真菌多样性的影响存在差异, 城市环境因子通过直接和间接作用共同影响土壤微生物多样性。进一步探讨了城市土壤微生物多样性的维持与保护, 并对今后城市土壤微生物研究需要关注的问题进行了展望, 包括: (1)城市化对城市绿地土壤微生物多样性的影响机制; (2)城市土壤微生物多样性变化对生态系统多功能性的影响; (3)土壤微生物多样性与人类健康的关系。以期为城市土壤生物多样性保护研究提供参考。     

大理河沉积物微生物碳源利用特征及其影响因素

沉积物是河流生态系统中氮磷等物质循环的重要场所,而微生物是河流生态系统的重要组成部分,探究沉积物中微生物群落碳源利用特征和功能多样性对于河流生态环境保护具有重要意义。利用Biolog Eco微平板法、基于主成分分析、冗余分析阐明了大理河流域沉积物中微生物群落碳源利用强度和功能多样性变化特征及其影响因素。结果表明：（1）从流域上游到流域下游,沉积物中微生物碳源利用强度逐渐降低,与上游相比,支流、中游、下游沉积物中微生物碳源利用强度分别降低了13.4%、30.5%、30.7%。（2）沉积物中微生物群落功能多样性存在差异,沉积物中微生物群落功能多样性（Shannon-Wiener多样性指数）表现为上游 > 支流 > 中游 > 下游,常见物种优势度（Simpson多样性指数）则表现为下游 > 支流 > 中游 > 上游。（3）与微生物代谢活动相关性较高碳源为糖类,其次是氨基酸类,聚合物类、羧酸类、胺类、酚酸类与微生物代谢活动相关性较低。（4）沉积物中全氮、氨氮、硝氮、有机碳含量是影响微生物群落功能多样性和碳源利用特征差异的主要因素。流域沉积物中合适的碳、氮水平对维持河流水生态健康具有重要的意义。     

DG-DGGE分析产氢发酵系统微生物群落动态及种群多样性

应用双梯度-变性梯度凝胶电泳(DG-DGGE)对生物制氢反应器微生物种群的动态变化及多样性进行监测。间隔7d从反应器取厌氧活性污泥,以细菌16SrDNA通用引物进行V2～V3区域PCR扩增,长约450bp的PCR产物经DGGE分离后,获得污泥微生物群落的16SrDNA指纹图谱。污泥接种到反应器后微生物群落中既有原始种群的消亡和增长,也有次级种群的强化和演变。反应器在运行初期群落演替迅速,15d时微生物群落结构变化最大。群落结构的相似性随着演替时间的增加而逐渐升高,种群动态变化后形成稳定的群落结构。29d时微生物多样性基本保持不变,微生物优势种属达到19个OTU。在细菌竞争和协同作用制约下,种群多样性降低后趋于稳定,形成顶级群落。有些种群在群落结构中一直存在,是群落建成的原始种群,原始种群与次级种群在代谢过程中具有协同作用,表现出群落的综合生态特征。     

微生物相互作用中的空间自组织

微生物在全球生态系统中占据着重要地位, 其中一个重要的研究领域是微生物与环境(包括无机环境与生物环境)之间的相互作用。在生态相互作用过程中, 微生物常常通过自组织形成特定的空间模式。微生物的空间模式在种群稳定性、群落动态变化以及维持合作行为方面具有重要作用。本文中, 我们梳理了当下对微生物空间自组织及其所形成的空间模式的研究内容, 首先介绍什么是空间自组织, 再根据生态相互作用类型对自组织的空间模式进行描述, 其中重点讨论合作与竞争中的空间模式, 接着关注微生物空间自组织的过程, 最后我们指出空间自组织对整个群体的结构和功能稳定具有重要意义。研究微生物种群间相互作用中的空间模式, 有助于探索维持合作行为的新机制, 进而为微生物共生系统的构建提供新的理解。     

亚高山草地土壤原生生物群落结构和多样性海拔分布格局

生物多样性分布格局与维持机制即群落构建机制,是群落生态学研究的热点领域。微生物生态学中的一个关键问题是量化确定性过程和随机过程对微生物群落构建的相对贡献。尽管原生生物是土壤微生物群落中重要的组成部分,在微生物食物链中扮演着关键角色,但与细菌和真菌相比,目前对原生生物群落构建机制知之甚少。运用Illumina Miseq高通量测序技术,分析了五台山亚高山草地生态系统（海拔2000-3061 m范围内）土壤原生生物群落组成和多样性维持机制。结果表明,四个海拔梯度的土壤共获得有效序列520673条,分属于8个超群、24个门、65个纲、125个目、222个科和350个属。门水平上,丝足虫门（Cercozoa）、褐藻门（Ochrophyta）、纤毛门（Ciliophora）和顶复门（Apicomplexa）为主要优势类群。LEfSe分析显示,17个生物标志物对海拔梯度非常敏感,不同海拔梯度富集了不同的原生生物种群。尽管海拔对土壤原生生物群落的α多样性没有显著影响,但非度量多维尺度分析（NMDS）和相似性分析（ANOSIM）结果表明,原生生物群落组成和结构在海拔梯度上存在显著的差异（P<0.05）。冗余分析（RDA）显示海拔、土壤含水量、总氮和植物丰富度指数与原生生物群落结构存在显著相关性（P<0.05）。方差分解分析（VPA）和偏Mantel分析表明环境因子和空间变量对原生生物群落海拔分布格局均有显著影响,但是环境因子的相对作用（7.9%）明显大于空间变量（1.8%）。土壤原生生物群落之间的Bray-Curtis距离与海拔距离呈显著正相关关系（P<0.05）,说明选择过程可能是亚高山草地土壤原生生物群落分布格局的主要驱动因素。零模型分析进一步证实了确定性过程在原生生物群落构建中的相对作用大于随机过程。总之,五台山亚高山草地土壤原生生物群落组成和结构沿海拔梯度具有显著的变化格局,群落构建主要由确定性过程和随机过程驱动,但确定性过程占主导地位。     

转基因作物对土壤微生物多样性影响的研究方法

土壤微生物是土壤生态系统的一个重要组成部分,对土壤中的生物化学循环起着不可替代的驱动作用。转基因作物在生长过程中会不可避免地与土壤微生物发生交流,开展转基因作物对土壤微生物群落影响的研究对于科学评价转基因作物的潜在风险具有重要意义。随着现代生物技术的不断发展,土壤微生物多样性及其分析方法已经从传统的分离培养发展到从种群角度去研究整个土壤微生态系统内的微生物。但是由于土壤微生物的各种特性(如大部分不可培养、体积微小及群体效应等)和仪器设备检测性能的局限性,单一的研究方法会存在一些弊端,还需要结合其他的手段共同研究土壤生态系统中的微生物多样性。目前,人们对土壤微生物多样性的研究主要包括物种多样性、功能多样性、结构多样性及遗传多样性等4个方面,国内外关于转基因作物对土壤微生物多样性及其群落结构影响的研究方法很多,对常见的研究方法进行了总结,并提出了今后转基因作物对土壤微生物多样性及群落结构影响的研究策略。     

微生物多样性及其分布的研究进展:模式与过程

生物多样性产生和维持机制长期以来是生态学研究的核心问题。人们通过实验观察和理论推导揭示了很多群落生物多样性的共有模式及其背后的生态学过程,而相关的工作主要集中在动植物等大型生物中。微生物是地球上数量最多、分布最广,以及在生态系统过程中发挥极其重要作用的生物类群,但人们对其群落多样性的认识还非常有限。将介绍目前人们对能够独立自由生活的微生物多样性分布模式的探索,总结对其背后的生物学和生态学过程的研究现状,并探讨当前面临的挑战。     

极小种群植物水松群落系统发育多样性分析

极小种群植物水松（Glyptostrobus pensilis（Staunton ex D.Don）K.Koch）是著名的孑遗植物,被列为我国Ⅰ级重点保护和极小种群野生植物,在IUCN红色名录中被评估为"极危"等级,且种群数量仍在继续减少。水松主要分布于我国华南和东南地区以及越南和老挝。本研究对我国42个水松种群周边植被、种群健康状况、群落干扰类型、外来植物入侵状况等进行了调查,采用系统发育多样性相关指数对该物种所在群落进行了研究。结果显示,系统发育多样性指数对水松种群状况具有一定的指示性,人为干扰对所在群落的影响越严重,种群的健康状况愈差;具有较高系统发育多样性水平（PD值）的群落内水松种群状况良好;入侵物种的存在会使群落系统发育结构聚集,系统发育多样性水平降低。因此,在对水松种群进行保护时,要尽量减少群落中人为恶性干扰因素和外来植物的入侵威胁,以增强水松种群和个体的健康水平,维持群落系统发育的多样性,从而提高水松种群抵抗力和恢复力的稳定性。     

凋落物对土壤有机碳与微生物功能多样性的影响

森林凋落物是影响土壤微生物群落和有机碳含量的重要因素,但其作用的程度和机制尚不清楚,研究该问题对于分析森林生态系统碳循环和资源管理具有重要意义。研究凋落物去除与添加处理下土壤有机碳含量与土壤微生物对碳源利用的差异,明确凋落物去除与添加对土壤微生物群落代谢功能及其多样性的影响,探究不同处理下SOC含量变化的土壤微生物群落代谢机理。选取承德市雾灵山1405-1435 m海拔范围内核桃楸-蒙古栎混交林的表层土壤,采用室内培养结合Biolog-ECO方法,测定了培养第21天的土壤有机碳（soil organic carbon,SOC）含量及微生物群落的AWCD值、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数、McIntosh均匀度指数、Pielou丰富度指数,分析培养期内凋落物的不同处理下SOC含量与微生物功能多样性的变化特征。结果表明：1）不同凋落物处理对SOC含量与土壤微生物群落多样性具有显著影响（P<0.05）,DL > HL > NL > CK;2）不同凋落物处理下土壤微生物群落代谢活性和土壤微生物对碳源的利用程度具有显著差异（P<0.05）,碳水化合物类和氨基酸类是土壤微生物的主要碳源;3）不同处理的SOC含量与土壤微生物多样性具有正相关关系。双倍凋落物添加在短期内对土壤微生物多样性影响难以达到显著水平且在一定程度上对土壤微生物的代谢活性具有抑制作用,土壤微生物群落功能多样性对SOC含量具有重要影响。     

种间互作网络的结构、生态系统功能及稳定性机制研究

生态群落中不同物种间发生多样化的相互作用, 形成了复杂的种间互作网络。复杂生态网络的结构如何影响群落的生态系统功能及稳定性是群落生态学的核心问题之一。种间互作直接影响到物质和能量在生态系统不同组分之间的流动和循环以及群落构建过程, 使得网络结构与生态系统功能和群落稳定性密切相关。在群落及生态系统水平上开展种间互作网络研究将为群落的构建机制、生物多样性维持、生态系统稳定性、物种协同进化和性状分化等领域提供新的视野。当前生物多样性及生态系统功能受到全球变化的极大影响, 研究种间互作网络的拓扑结构、构建机制、稳定性和生态功能也可为生物多样性的保护和管理提供依据。该文从网络结构、构建机制、网络结构和稳定性关系、种间互作对生态系统功能的影响等4个方面综述当前种间网络研究进展, 并提出在今后的研究中利用机器学习和多层网络等来探究环境变化对种间互作网络结构和功能的影响, 并实现理论和实证研究的有效整合。