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。     

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。     

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。     

微生物生态学理论框架

微生物是生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与所有的生态过程。微生物生态学是基于微生物群体的科学,利用微生物群体DNA/RNA等标志物,重点研究微生物群落构建、组成演变、多样性及其与环境的关系,在生态学理论的指导和反复模型拟合下由统计分析得出具有普遍意义的结论。其研究范围从基因尺度到全球尺度。分子生物学技术的发展,使人们可以直接从基因水平上考查其多样性,从而使得对微生物空间分布格局及其成因的深入研究成为可能。进而可以从方法学探讨微生物生物多样性、分布格局、影响机制及其对全球变化的响应等。在微生物生态学研究中,群落构建与演化、分布特征(含植物-微生物相互关系)、执行群体功能的机理(生物地球化学循环等)、对环境变化的响应与反馈机理是今后需要关注的重点领域。概述了微生物生态学的概念,并初步提出其理论框架,在对比宏观生态学基础理论和模型的基础上,分析微生物多样性的研究内容、研究方法和群落构建的理论机制,展望了今后研究的重点领域。     

外生菌根真菌生物地理学研究进展

外生菌根真菌对植物矿质营养、生态系统物质循环、物种演化进程等具有十分重要的作用,但其生物地理学研究长期滞后于动植物。扩散和隔离是解释外生菌根真菌生物地理分布格局的重要理论。古地质、古气候和宿主植物是外生菌根真菌地理分布格局形成的重要推动因子。基因组学、生物信息学技术与生物地理学方法相互结合和补充,可以用来研究一些复杂的真菌生物地理学问题。文中详细阐述了外生菌根真菌生物地理学研究的重要过程和现状,如真菌物种界定、常用数据分析方法、起源和演化规律及其在生物多样性保护方面的应用等,并初步探讨了其未来的发展方向。     

农业土壤微生物基因与群落多样性研究进展

介绍了群落基因组多样性、结构多样性与功能多样性相互关系的研究方法 ,重点论述了近年来农业土壤微生物群落遗传、结构与功能多样性的研究进展。同时总结了耕作措施和养分管理对农业土壤微生物群落多样性的影响 ,提出微生物序列分析、比较基因组学和微生物芯片技术与传统研究技术结合将有助于对微生物群落结构与功能和生物与环境因素对土壤微生物群落影响的深刻理解     

根瘤菌生物地理学的研究进展

根瘤菌是一类革兰氏阴性菌,能与特定的宿主植物共生形成根瘤,将空气中的分子态氮转变为植物可以利用的氨态氮。研究根瘤菌的生物地理分布格局及形成机制,不仅具有理论上的意义,还对根瘤菌接种剂的选择具有指导意义。目前,随着分子生物学技术的发展,以及根瘤菌多样性研究数据的积累,根瘤菌生物地理学取得了较大的进展。本文综述了根瘤菌生物地理学的研究方法及现状,并对今后的重点研究方向作了展望。     

污染土壤微生物群落结构分子鉴定技术研究进展

土壤微生物群落结构多样性检测是土壤修复、监测、评估时的一个重要参数。由于绝大多数微生物在实验室条件下是不可培养,因而早期依赖于微生物培养的检测结果代表性不强。20世纪90年代以来,不依赖于微生物培养的分子生物学方法是研究微生物群落结构的重要手段。该文对近年来土壤污染微生物群落结构研究所采用的主要分子生物学方法按照其原理进行了比较、分析、总结。根据不同技术的灵敏度、优缺点分析了其适用范围。指出了目前技术中存在的一些共性问题和缺陷并展望了土壤修复领域分子生物学技术的发展趋势。     

土壤动物群落空间格局和构建机制研究进展

群落空间格局和构建机制一直是生态学研究的核心内容。在生物多样性严重丧失的背景下, 揭示群落空间格局及其构建机制, 有助于深刻理解生物多样性丧失的原因, 更有助于应对生物多样性保护等重大生态环境问题。然而, 陆地生态系统的研究多集中于地上生物群落, 对地下生态系统, 尤其是土壤动物空间格局和构建机制的研究尚不充分。事实上, 土壤动物多样性是全球生物多样性的关键组成之一, 是地下生态系统结构和功能维持的重要部分。对土壤动物空间格局和构建机制的研究, 能明确不同空间尺度条件下土壤动物多样性的维持机制。土壤动物群落常在多种空间尺度形成复杂的空间分布格局, 因此, 本文首先介绍了不同空间尺度主要土壤动物群落的空间自相关性特征, 阐述了土壤动物群落斑块和孔隙镶嵌分布的复杂空间格局。继而阐明这种空间格局主要受生物间作用、环境过滤和随机扩散的调控, 并说明这三个过程对土壤动物群落的调控能力和作用方式。作者提出, 这三个过程仍是今后土壤动物群落空间格局和构建机制研究的重点内容, 需要进一步加强以土壤动物为研究对象的群落构建理论的验证和发展。我国土壤动物群落空间格局和构建机制起步较晚, 希望本文能够促进我国土壤动物生态学相关领域的研究。     

若尔盖高原泥炭沼泽湿地土壤细菌群落空间分布及其驱动机制

了解高原泥炭沼泽湿地生态系统土壤微生物群落结构组成、多样性及空间分布特征对认识高原湿地生态特征及演化过程至关重要。利用高通量测序技术,在局域尺度上研究了四川若尔盖高原泥炭沼泽湿地土壤细菌群落结构与多样性特征。通过进一步测定土壤及植物基本理化指标,量化采样点之间的地理距离,比较了细菌群落不同成员（稀有种和丰富种）的空间周转差异,分析了土壤环境变量和空间因子对细菌群落结构的相对贡献。结果表明：若尔盖泥炭土壤细菌群落主要由绿弯菌门（Chloroflexi）（26.25%）、变形菌门（Proteobacteria）（23.21%）、厚壁菌门（Firmicutes）（10.56%）等优势物种门类组成;土壤细菌群落结构表现出较强的空间依赖关系,群落结构相似性随采样点地理距离增加而逐渐降低,细菌群落的周转速率表现为总细菌群落 > 丰富种 > 稀有种;Mantel检验结果显示,地上生物量与细菌群落呈极显著相关性（P<0.01）,其中,影响稀有种空间分布特征的环境因子还包括土壤硫含量、活性磷、Mn和土壤pH值;方差分解分析表明,局域尺度上的土壤因子对若尔盖高原泥炭沼泽土壤细菌群落构建的相对贡献大于空间因子,土壤异质性是影响微生物空间分布特征的关键因素。研究为开展高原湿地泥炭土壤微生物多样性调查及揭示微生物群落构建机制提供了重要参考。     

Restricted distribution and limited gene flow in the model ciliate Tetrahymena thermophila

The biogeography of microbial eukaryotes has long been debated, but few phylogeographic data have been available to assess whether protists tend to have ubiquitous or endemic distributions. We addressed this issue in the ciliate Tetrahymena thermophila, a highly successful model system in cell and molecular biology. We found that this species has a distribution that is restricted to the Eastern United States, with high diversity in the northeast and low diversity across the rest of its distribution. We find high levels of population subdivision, low rates of migration and significant isolation by distance, supporting the moderate endemicity model of protist biogeography. This restricted gene flow may be a result of small population size, which would reduce the probability of migration events, or the inability to establish after migration. This work lays the foundation for T. thermophila to become a valuable model system for studying population biology.     

The voice of historical biogeography

Historical biogeography is going through an extraordinary revolution concerning its foundations, basic concepts, methods, and relationships to other disciplines of comparative biology. There are external and internal forces that are shaping the present of historical biogeography. The external forces are: global tectonics as the dominant paradigm in geosciences, cladistics as the basic language of comparative biology and the biologist's perception of biogeography. The internal forces are: the proliferation of competing articulations, recourse to philosophy and the debate over fundamentals. The importance of the geographical dimension of life's diversity to any understanding of the history of life on earth is emphasized. Three different kinds of processes that modify the geographical spatial arrangement of the organisms are identified: extinction, dispersal and vicariance. Reconstructing past biogeographic events can be done from three different perspectives: (1) the distribution of individual groups (taxon biogeography) (2) areas of endemism (area biogeography), and (3) biotas (spatial homology). There are at least nine basic historical biogeographic approaches: centre of origin and dispersal, panbiogeography, phylogenetic biogeography, cladistic biogeography, phylogeography, parsimony analysis of endemicity, event-based methods, ancestral areas, and experimental biogeography. These nine approaches contain at least 30 techniques (23 of them have been proposed in the last 14 years). The whole practice and philosophy of biogeography depend upon the development of a coherent and comprehensive conceptual framework for handling the distribution of organisms and events in space.     

分子生物学方法在环境微生物生态学中的应用研究进展

随着分子生物学方法的不断发展和改进,微生物在生态系统中的作用被更好的挖掘出来。目前快速发展的先进的分子生物学技术,已经开始应用于分析环境微生物的多样性、微生物的生物地理学及微生物对气候变化的响应等。一般环境微生物的研究目标主要有3个,即确定微生物的种类和多样性、微生物的功能或潜在作用及在特定时间点活跃的微生物等。然而,现有微生物的研究方法复杂多样,容易给研究者在方法的选择上带来困惑。将从微生物的多样性和功能研究两个方面介绍和分析相应的分子生物学方法,尤其是近年来快速发展的高通量测序、宏组学和单细胞水平研究方法(如纳米二次离子质谱与荧光原位杂交相结合的方法)等新技术及其应用情况,以期为研究者选择合适的研究方法进行环境微生物的研究提供依据。     

The use of molecular data in mangrove plant research

The use of molecular data in plant studies has increased dramatically duringthe last decade. Recently, molecular techniques have been applied tomangrove plants to investigate population structure and phylogeneticrelationships. We briefly review research on mangrove plants based onprotein polymorphism and DNA data. Results of these molecular studieshave provided new insights into conservation issues, systematics,biogeography, and population biology of mangrove plants, in many casesrevealing unexpected and surprising patterns.     

Mechanisms of soil bacterial and fungal community assembly differ among and within islands

The study of islands has made substantial contributions to the development of evolutionary and ecological theory. However, we know little about microbial community assembly on islands. Using soil microbial data collected from 29 lake islands and nearby mainland, we examined the assembly mechanisms of soil bacterial and fungal communities among and within islands. We found that deterministic processes, especially homogeneous selection, tended to be more important in shaping the assembly of soil bacterial communities among islands, while stochastic processes tended to be more important within islands. Moreover, increasing island area increased the importance of homogeneous selection, but reduced the importance of variable selection, for soil bacterial community assembly within islands. By contrast, stochastic processes tended to dominate soil fungal community assembly both among and within islands, with dispersal limitation playing a more important role within than among islands. Our results highlight the scale- and taxon-dependence of insular soil microbial community assembly, suggesting that spatial scale should be explicitly considered when evaluating the influences of habitat fragmentation on soil microbial communities.     

黄土高原土壤水分-有机碳-微生物耦合作用研究进展

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切的耦合关系。尽管关于植被恢复后土壤水分和有机碳变化的研究已开展较多,但是由于土壤微生物活动和群落结构复杂性和易变性,这给土壤微生物介导的水-碳耦合研究带来了相当大的困难。迄今为止,黄土高原植被恢复后土壤水、碳、微生物三者之间的耦合关系缺乏总体性的融合,大多数研究只能假设各个生物化学过程是相对独立的,对土壤水、碳、微生物耦合的认知仍存在局限性。由此,首先对黄土高原植被恢复进程、土壤水分过程和有机碳变化分别进行了综述,结合已有的理论和证据进一步概括了黄土高原土壤有机碳、微生物群落对降水格局的响应。最后整合植被、土壤和微生物界面等关键生态过程,总结了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合界面过程,采用HYDRUS-2D模型(水文过程模型)和ORCHIDEE模型(生态系统碳模型),并融入土壤微生物种群生长动态,基于稳定碳、水同位素技术和DNA探针技术,初步构建了黄土高原土壤水-碳-微...     

污染土壤微生物群落结构多样性及功能多样性测定方法

土壤微生物在促进土壤质量和植物健康方面发挥着重要的作用,土壤微生物群落结构和组成的多样性及其变化在一定程度上反映了土壤质量.为了更好地了解土壤健康状况,非常有必要发展有效的方法来研究污染土壤微生物的多样性、分布以及行为等.回顾了近年来国内外污染土壤微生物群落结构多样性及功能多样性的测定方法,包括生物化学技术和分子生物学技术,现将它们的原理、优缺点、实用性及其发展动态作一阐述,同时指出结合这两种技术可为微生物群落分析提供一个更全面的、精确的方法.