湖泊硫循环微生物研究进展

湖泊是响应气候和环境变化的关键生态系统,是研究元素(如碳、氮和硫等)生物地球化学循环的热点环境。湖泊(尤其咸盐湖)具有硫酸盐含量高且含硫化合物种类丰富的特点,因而湖泊中硫元素生物地球化学循环过程非常活跃。微生物是驱动湖泊硫循环的重要推手。因此,研究湖泊中微生物参与的硫元素生物地球化学循环过程以及相关微生物类群构成,对于深入探索微生物在湖泊生态系统中的作用具有重要意义。本文综述了湖泊中驱动硫循环的微生物(硫氧化菌和硫酸盐还原菌)种群多样性、功能基因、代谢途径、硫氧化/硫酸盐还原速率及其对环境条件变化响应等方面的研究现状,并对未来湖泊微生物驱动的硫循环研究方向进行了展望。     

海洋奇古菌门认知的拓展：从新类群到新功能

奇古菌门是全球海洋中的重要微生物类群,在海洋原核浮游生物中的比例可达20%–40%。作为一类化能无机自养微生物,奇古菌门成员可通过氧化氨获得能量,实现不依赖光照的无机碳固定,在碳、氮等元素的地球化学循环中起关键作用。奇古菌门是海洋中氨氧化反应的主要执行者,其化能合成的有机质是海洋特别是深海环境中微生物的重要能量来源。随着研究的逐步深入,有关该类群生理代谢特性的认知不断被拓展,包括奇古菌门异养代谢的揭示、不具氨氧化能力类群在深海中的发现,以及最新报道的奇古菌门在厌氧条件下介导氧气、氧化亚氮和氮气的产生等。这些研究揭示了奇古菌门参与海洋生物地球化学循环和气候变化调节的新机制,为围绕该类群的深入探究和培养提供了新的思路和方向。本文从群落组成、环境适应、生态功能、进化历史和培养现状等方面综述了近年来有关海洋奇古菌门的新发现和新认识,以期增进对该类群的了解。     

巴里坤盐湖退化区土壤微生物群落结构及生态功能分析

【目的】微生物是湖泊生态系统的重要组成部分,参与碳、氮和硫等元素的生物地球化学循环过程,其群落组成和功能对环境的稳定性和可持续性至关重要。然而,新疆的部分湖泊出现退化和盐渍化等问题,微生物如何响应湖泊退化值得研究。【方法】本研究基于16S rRNA基因的扩增子高通量测序,对巴里坤盐湖退化区域的土壤微生物群落结构进行分析,同时对微生物的潜在生态学功能进行预测。【结果】本研究发现,假单胞菌门(Pseudomonadota)、绿弯菌门(Chloroflexota)和拟杆菌门(Bacteroidota)是巴里坤盐湖退化生境中的优势类群。在轻度退化阶段,脱硫菌门(Desulfobacterota)和弯曲杆菌门(Campylobacterota)是主要类群,但随着湖泊退化程度加剧,这些类群急剧减少甚至消失;在极度退化阶段,酸杆菌门(Acidobacteriota)和浮霉菌门(Planctomycetota)等类群逐渐占据主导地位。基于BugBase对氧的需求进行预测,结果发现好氧类群主要是放线菌门(Actinomycetota)、假单胞菌门(Pseudomonadota)和绿弯菌门(Chlorof...     

基于功能基因的微生物碳循环分子生态学研究进展

碳循环是生态系统中重要的生物地球化学元素循环之一。微生物参与碳固定、甲烷代谢、碳降解等多个重要的碳循环过程,深入了解微生物群落在碳循环过程中的功能和作用,有助于获悉微生物对全球气候变化的响应、适应和反馈机制,这也是微生物生态学研究的关键问题之一。传统的研究多集中于微生物分离培养技术,无法覆盖绝大部分未培养微生物,并且无法深入解析碳循环过程中微生物群落的结构和功能,宏基因组学技术的出现克服了这些缺陷,成为研究微生物群落结构和功能的有效手段。本文对目前宏基因组学的主要技术——定量PCR、DNA分子指纹图谱、基因芯片、克隆文库和高通量测序等技术进行了简要介绍,着重介绍了参与碳固定、甲烷生成和氧化、碳降解等主要碳循环过程的关键功能基因的研究现状,最后对碳循环过程中微生物宏基因组学研究的未来发展进行了总结与展望。     

未培养微生物研究:方法、机遇与挑战

自然界中绝大部分的微生物仍是未培养的,称之为未培养微生物或微生物"暗物质"。对其进行研究不仅有助于认识微生物多样性及其代谢特征,加深对环境中微生物参与的生态学过程的理解,还有利于重构生命之树,揭示微生物的进化历程,具有重要的科学意义。同时未培养微生物是发现新基因资源和新活性物质的巨大宝库。随着现代分子生物学研究方法和培养技术的成熟和完善,从环境中直接破译未培养微生物的遗传信息,并实现培养逐渐成为可能。本文主要介绍了基于宏基因组技术和单细胞基因组技术或两者结合运用,研究环境中未培养微生物的主要方法和挑战,总结分析了目前已经解析的未培养微生物的主要类群,并对未来研究的机遇进行了展望。     

2020年地质微生物学专刊序言

中国微生物学会地质微生物学专业委员会第八届地质微生物学研讨会于2019年6月13-15日在青岛举行,来自国内外127所高校和科研院所的600余位专家学者齐聚此次会议,围绕地质微生物学领域相关的最新研究进展进行了深入交流和研讨。为展示与会学者的部分最新研究成果,特组织这期地质微生物专刊。
本期《微生物学报》专刊以地质微生物学为主题,选取了第八届地质微生物学学术会议报导的地质微生物学研究新技术、极端环境微生物、微生物与元素生物地球化学循环、微生物-矿物相互作用、地质微生物应用、以及环境微生物生态与进化等领域的19篇文章,与读者共享。在“地质微生物学研究新技术”专栏,提出了单细胞拉曼光谱在研究代谢过程、分选活细胞以及揭示细胞对物质利用等方面的应用前景;在“极端环境微生物”专栏,报导了贵州兴义喀斯特洞穴中的微生物多样性及抗菌活性,综述了嗜盐菌中甘氨酸甜菜碱的合成途径及其生物学功能;在“微生物与元素生物地球化学循环”专栏,报导了海洋异养细菌、好氧甲烷氧化耦合反硝化细菌、与农田土壤中丛枝菌根真菌-根际细菌及其在碳氮磷循环过程中作用,综述了海洋氮循环过程及基于基因组代谢网络模型预测研究进展、以及湖泊微生物参与硝化、反硝化与硫循环过程的研究进展;在“微生物-矿物相互作用”专栏,报导了铁还原菌与砷还原菌与矿物相互作用及其对元素循环的影响;在“地质微生物应用”专栏,报导了典型油气藏上方土壤甲烷氧化菌群落特征及其勘探意义与煤灰分和无机矿物对生物产气的影响;在“环境微生物生态与进化”专栏,报导了我国南海、东海与黄河三角洲沉积物微生物群落结构特征,综述了候选门级辐射类群（CPR）细菌与古菌ESCRT系统研究进展。
希望通过本专刊,进一步扩大地质微生物学在国内的影响、并促进地质微生物学相关学科的发展和融合。     

古丸菌Archaeoglobi的代谢特征

古丸菌纲(Archaeoglobi)是广古菌门下的纲级分类单元,包含古丸菌(Archaeoglobus)、地丸菌(Geoglobus)和铁丸菌(Ferroglobus)三个属,所属菌株均是严格嗜热厌氧菌,主要分布于海洋、陆地热液系统和油田环境中。Archaeoglobus属下的微生物是一类以硫酸盐、亚硫酸盐或硫代硫酸盐为电子受体代谢生成硫化氢(H2S)的化能自养或氢营养型微生物;而Geoglobus和Ferroglobus的成员则主要还原硝酸盐和铁离子。Archaeoglobi地理分布广泛,在元素生物地球化学循环过程中发挥着重要作用,是目前微生物生态学研究的一个热点。在进化方面,Archaeoglobi菌和产甲烷古菌具有较高的亲缘关系;同时,Archaeoglobi基因组中保留着部分产甲烷途径上的功能基因,最新研究表明部分未培养的Archaeoglobi基因组中含有完整的产甲烷通路。这些证据都表明Archaeoglobi菌的基因组特征可能是产甲烷古菌向硫酸盐还原菌进化的活化石。本文梳理了目前发现的11株Archaeoglobi菌株的生理生化特征和基因组分析结果,从化能自养、化能异养、硫化物呼吸、产乙酸、产甲烷等方面综述了已分离的Archaeoglobi菌的代谢特征,并基于宏基因组信息分析了未培养的Archaeoglobi菌基因组中的潜在代谢功能,为进一步分离培养此类未培养厌氧微生物提供理论指导。     

赤泥自然成土过程及其微生物驱动机制

氧化铝废渣(赤泥)堆场生态修复的关键是赤泥土壤化。运用空间代替时间的方法,在未采取人工修复措施的赤泥堆场采集具有时间序列特征的赤泥样品,通过测定其理化生化指标及微生物群落结构变化,研究赤泥的自然成土过程及其微生物驱动机制。结果表明: 随赤泥泥龄的增加,其物理指标孔隙度、水稳性团聚体含量、团聚体平均重量直径提升,容重降低;化学指标pH值、电导率、酸中和能力和交换性钠饱和度降低;生化指标有机碳、总氮、有效态磷、微生物生物量碳、土壤基础呼吸提升,代谢熵降低。微生物Shannon多样性指数增加,群落结构由产氧光合细菌蓝细菌门、不产氧光合细菌绿菌门和绿弯菌门占据绝对优势转变为变形菌门、放线菌门和厚壁菌门占据优势地位,富营养细菌与贫营养细菌丰度比值明显增加。微观形态分析表明,微生物及其代谢产物通过对赤泥颗粒的吸附、链接、缠绕及包裹形成微生物-赤泥聚合体。在自然堆置过程中赤泥自发地由贫营养的极端生境向土壤生境转变,微生物通过提升营养水平、降低盐碱度、改善质地结构等途径参与赤泥的自然成土过程。     

热泉微生物驱动的氮循环研究进展及展望

热泉微生物是驱动热泉氮(N)循环的主导力量,开展热泉生态系统中驱动氮循环微生物种群构成及其与环境响应的研究,对于探索热泉中氮的生物地球化学循环、生命进化、生物修复等方面都具有重要的理论和应用价值。本文综合阐述了热泉生态系统驱动氮循环的功能微生物(如固氮菌、氨氧化菌、厌氧氨氧化菌、反硝化菌、异化硝酸盐还原菌)在系统发育学上的分布、功能基因的相对丰度、活性及其与环境因子(如温度、pH)的相关性等方面的研究现状和亟待解决的问题。并展望了热泉生境中驱动氮循环微生物未来的研究方向。     

土壤微生物群落构建理论与时空演变特征

土壤微生物作为陆地生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与几乎所有的土壤生态过程,在物质循环、能量转换以及污染物降解等过程中都发挥着重要作用。对土壤微生物时空演变规律及其形成机制的研究,不仅是微生物演变和进化的基础科学问题,也是预测微生物及其所介导的生态功能对环境条件变化响应、适应和反馈的理论依据。讨论了土壤微生物群落的定义、测度方法和指标,认为群落是联系动植物宏观生态学与微生物生态学的基础,群落构建机制是宏观和微观生态学都需要研究的核心科学问题;从生态学的群落构建理论出发,阐述了包括生态位理论/中性理论、过程理论和多样性-稳定性理论在土壤微生物时空演变研究中的应用,以及微生物群落在时间和空间上的分布特征及其尺度效应;确立了以微生物群落构建理论为基础、不同时空尺度下土壤微生物群落演变特征为主要内容的微生物演变研究的基本框架。     

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。     

植物功能性状研究进展

植物功能性状是指植物体具有的与其定植、存活、生长和死亡紧密相关的一系列核心植物属性,且这些属性能够显著影响生态系统功能,并能够反映植被对环境变化的响应.越来越多的研究表明,相比大多数基于植物分类和数量的研究,植物功能性状在种群、群落和生态系统尺度上,都已成为解决重要生态学问题的可靠途径.本文回顾了植物功能性状研究的发展历程,总结了近10年来基于植物功能性状研究的前沿科学问题,包括功能性状的全球分布格局和内在关联,沿环境梯度的变化规律,功能多样性的定义及应用,与群落物种共存机制和群落动态变化的关系,与系统发育的关系,对生态系统功能的影响以及对各类干扰的影响和响应.尽管功能性状研究已经延伸到生态学领域的各个方面,有力推动了各个前沿科学问题的研究发展,仍然有很多值得关注和着重研究的方向.本文也对未来基于植物功能性状的研究,从性状测量和选取、研究方法以及研究方向上提出了展望,并指出,在当前全球气候变化背景下,功能性状也可应用于指导生物多样性保护和生态系统管理政策的制定.     

甲虫群落构建研究进展

甲虫作为节肢动物中一个庞大的类群,具有繁简各异的生活习性,在生态系统中发挥极为重要的作用.甲虫群落构建是群落生态研究的重要内容之一,可揭示不同生态环境下生物多样性的形成与维持机制.现阶段对甲虫群落构建的研究主要通过物种的功能性状,或将系统发育结构与物种功能性状相结合的方法,对群落构建过程进行解析,用以判断主要的驱动因素...     

水分条件变化对土壤微生物的影响及其响应机制研究进展

土壤微生物在维持陆地生态系统服务中扮演着重要的角色.土壤水分条件是影响微生物活性与生态系统功能的重要因素之一,全球气候变化所引起的极端干旱与降雨必将加速土壤水分的剧烈变化.由于不同土壤微生物对干旱胁迫的耐受性不同及其对水分变化的响应差异,使得土壤水分条件变化直接改变了土壤微生物活性与群落结构,进而对微生物介导的关键过程与土壤生态系统功能造成深刻的影响.因此,全面深入地理解水分条件变化下土壤微生物群落的结构变化特征与响应机制具有重要意义.本文在总结土壤水分条件变化对土壤微生物活性(土壤呼吸与酶活性)和微生物群落结构的影响的基础上,进一步阐述了土壤微生物对干旱胁迫与水分条件变化的响应机制和生态学策略,包括: 1)积累胞内溶质、产生胞外聚合物、进入休眠状态等应对干旱胁迫的细胞生理策略;2)微生物之间、微生物与植物之间相关抗逆性基因的转移及土壤微生物群落的功能冗余等应对水分变化的微生物机制.研究水分条件变化下土壤微生物群落结构及生态系统功能之间的内在联系,不仅有助于进一步剖析微生物介导的土壤生态过程,而且能够为今后陆地生态系统对气候变化的响应研究和模型预测提供理论依据.     

土壤动物肠道微生物多样性研究进展

随着分子生物学技术方法的快速发展,动物肠道微生物已成为医学、动物生理学与微生物生态学等研究领域热点。土壤动物种类繁多,分布广泛,其作为陆地生态系统重要组分,是驱动生态系统功能的关键因子。土壤动物体内的微生物由于与宿主长期共存,在与宿主协同进化中形成了丰富多样的群落结构,能够影响土壤动物本身的健康,进而介导土壤动物生态功能的实现。近些年,土壤动物肠道微生物工作方兴未艾,日渐得到重视。总结了四个部分内容：1)首先总结了土壤动物肠道微生物多样性领域的研究现状,该领域年发文量逐年增长,且近十年增长快速。土壤模式生物肠道微生物多样性研究较多且更为深入。土壤动物肠道微生物多样性组成与驱动机制、共存机制及群落构建的理论研究是该领域前沿;2)进而展示了土壤动物肠道微生物多样性组成和研究方法,土壤动物肠道菌群组成以变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门为主。早期工作基于传统分离培养,近年来新一代测序技术推动了该领域发展;3)接着关注了土壤动物肠道微生物的生态学功能,总体上体现在肠道微生物能帮助宿主分解食物基质、参与营养利用、影响寿命和繁殖及提高宿主免疫能力,且其能够影响土壤动物的气体排放及介导其对生态系...     

生态学的多样性指数:功能与系统发育

生物多样性是生态学的核心问题。传统的多样性指数仅包含物种数和相对多度的信息,这类基于分类学的多样性指数并不能很好地帮助理解群落构建和生态系统功能。不同物种对群落构建和生态系统功能所起到的作用类型和贡献也不完全相同,且物种在生态过程中的作用和贡献往往与性状密切相关,因此功能多样性已经成为反映物种群落构建、干扰以及环境因素对群落影响的重要指标。同时,由于亲缘关系相近的物种往往具有相似的性状,系统发育多样性也可以作为功能多样性的一个替代。功能多样性和系统发育多样性各自具有优缺点,但二者均比分类多样性更能揭示群落和生态系统的构建、维持与功能。     

Optimizing ecosystem function by manipulating pasture community composition

The ability to design plant communities to optimize particular ecosystem functions and thus more effectively provide ecosystem services would improve all types of ecosystem management, including agriculture. We propose a novel quantitative multi-step method for selecting mixtures of plant species to meet ecosystem objectives: collecting trait data; identifying suites of traits related to relevant community processes; relating those processes to the ecosystem functions of interest; optimizing the planted mixture; and evaluating trade-offs. This approach was tested using planted mixtures of 14 grassland species common in managed pastures of the northeastern United States. Ordination of trait data from greenhouse and small plot studies was used to relate species traits to community processes, followed by generalized additive modeling to relate community-weighted mean process scores to field estimates of biomass production and resistance to invasion. Multi-criteria optimization identified seed mixtures that maximized or minimized selected ecosystem functions, facilitating quantification of trade-offs in processual ability within species and between ecosystem functions at the community level. In this study, predicted seasonal and annual biomass values were within expected ranges, but the optimal mixtures differed from forage mixtures traditionally planted in the northeastern United States. Perennial ryegrass was the most commonly-selected grass. Legumes were represented less than expected, possibly due to attributes such as longevity and forage quality that are important in pastures but were not directly included in the optimization. Ecosystem function was not linearly related to species richness. While further research on quantitatively relating species traits and community processes is needed, multi-criteria optimization offers a new path for linking ecosystem function to ecosystem management.     

Effects of species evenness and dominant species identity on multiple ecosystem functions in model grassland communities

Ecosystems provide multiple services upon which humans depend. Understanding the drivers of the ecosystem functions that support these services is therefore important. Much research has investigated how species richness influences functioning, but we lack knowledge of how other community attributes affect ecosystem functioning. Species evenness, species spatial arrangement, and the identity of dominant species are three attributes that could affect ecosystem functioning, by altering the relative abundance of functional traits and the probability of synergistic species interactions such as facilitation and complementary resource use. We tested the effect of these three community attributes and their interactions on ecosystem functions over a growing season, using model grassland communities consisting of three plant species from three functional groups: a grass (Anthoxanthum odoratum), a forb (Plantago lanceolata), and a N-fixing forb (Lotus corniculatus). We measured multiple ecosystem functions that support ecosystem services, including ecosystem gas exchange, water retention, C and N loss in leachates, and plant biomass production. Species evenness and dominant species identity strongly influenced the ecosystem functions measured, but spatial arrangement had few effects. By the end of the growing season, evenness consistently enhanced ecosystem functioning and this effect occurred regardless of dominant species identity. The identity of the dominant species under which the highest level of functioning was attained varied across the growing season. Spatial arrangement had the weakest effect on functioning, but interacted with dominant species identity to affect some functions. Our results highlight the importance of understanding the role of multiple community attributes in driving ecosystem functioning.     

A phylogenetic and trait‐based analysis of community assembly in a subtropical forest in central China

Despite several decades of study in community ecology, the relative importance of the ecological processes that determine species co‐occurrence across spatial scales remains uncertain. Some of this uncertainty may be reduced by studying the scale dependency of community assembly in the light of environmental variation. Phylogenetic information and functional trait information are often used to provide potentially valuable insights into the drivers of community assembly. Here, we combined phylogenetic and trait‐based tests to gain insights into community processes at four spatial scales in a large stem‐mapped subtropical forest dynamics plot in central China. We found that all of the six leaf economic traits measured in this study had weak, but significant, phylogenetic signal. Nonrandom phylogenetic and trait‐based patterns associated with topographic variables indicate that deterministic processes tend to dominate community assembly in this plot. Specifically, we found that, on average, co‐occurring species were more phylogenetically and functionally similar than expected throughout the plot at most spatial scales and assemblages of less similar than expected species could only be found on finer spatial scales. In sum, our results suggest that the trait‐based effects on community assembly change with spatial scale in a predictable manner and the association of these patterns with topographic variables, indicates the importance of deterministic processes in community assembly relatively to random processes.     

Functional structure of biological communities predicts ecosystem multifunctionality

The accelerating rate of change in biodiversity patterns, mediated by ever increasing human pressures and global warming, demands a better understanding of the relationship between the structure of biological communities and ecosystem functioning (BEF). Recent investigations suggest that the functional structure of communities, i.e. the composition and diversity of functional traits, is the main driver of ecological processes. However, the predictive power of BEF research is still low, the integration of all components of functional community structure as predictors is still lacking, and the multifunctionality of ecosystems (i.e. rates of multiple processes) must be considered. Here, using a multiple-processes framework from grassland biodiversity experiments, we show that functional identity of species and functional divergence among species, rather than species diversity per se, together promote the level of ecosystem multifunctionality with a predictive power of 80%. Our results suggest that primary productivity and decomposition rates, two key ecosystem processes upon which the global carbon cycle depends, are primarily sustained by specialist species, i.e. those that hold specialized combinations of traits and perform particular functions. Contrary to studies focusing on single ecosystem functions and considering species richness as the sole measure of biodiversity, we found a linear and non-saturating effect of the functional structure of communities on ecosystem multifunctionality. Thus, sustaining multiple ecological processes would require focusing on trait dominance and on the degree of community specialization, even in species-rich assemblages.