土壤微生物是全球生物多样性的重要组成部分，在土壤有机物分解、元素生物地球化学循环、污染物转化、地上植物多样性和生态系统生产力维持等方面起着重要作用。近来，土壤分子生态学课题组在土壤微生物组结构和功能、微生物-植物相互作用、环境响应和生态效应等研究中取得系列进展，相关成果陆续发表于Microbiome, Journal of Hazardous Materials, New Phytologist, Soil Biology and Biochemistry, Environmental Microbiology和Science of The Total Environment等期刊上。
原生生物是土壤微生物组中的重要组成部分，处于食物网的中间营养级地位，通过食物网的交互作用直接或间接影响着土壤生物多样性及其生态系统功能。因受研究方法的影响，限制了对原生生物多样性及其功能的认识。课题组通过方法比较和摸索，采用高通量测序技术解析了我国3种典型旱地农田土壤（黑土、潮土和红壤）中的微生物组（细菌、真菌、原生生物）对不同施肥处理措施的响应。发现连续两年施氮肥处理对土壤细菌和真菌的alpha多样性和群落组成无显著影响，但显著降低了原生生物群落的alpha多样性并改变了其群落结构。同时，施氮肥处理显著降低了原生生物在微生物网络关系中的节点比例，使得土壤微生物互作网络关系更加紧密（图1）。
图1 施肥对土壤微生物组群落多样性和微生物网络互作关系的影响
通过对微生物组物种信息进行功能注释，结合功能基因定量、磷脂脂肪酸分析和功能微生物活性分析等，进一步发现施肥对土壤微生物组潜在功能的影响在不同类型土壤中表现不同；但施氮肥处理可显著降低3种类型土壤中吞噬型原生生物的相对丰度，这与氮肥施用导致的硝态氮累积和土壤pH降低密切相关。以上研究较系统地揭示了短期施肥处理下，原生生物比真菌和细菌群落更加敏感地响应施氮肥产生的影响，进而导致微生物网络互作关系和潜在的生态功能发生明显变化，进一步证实了原生生物是土壤微生物组中的关键生物类群，也为更好地理解农业施肥对地下生物多样性、功能及其与生态系统稳定性之间的关系提供了新的视角。以上结果发表于Microbiome（Zhao et al., 2019）和Soil Biology & Biogeochemistry(Zhao et al., 2020)期刊上。
除土壤外，植物各个部位（如根、茎、叶等）也栖居着大量高度多样的微生物，构成植物的第二基因组，在促进植物养分吸收、维护植物健康和适应环境胁迫等起着重要作用。基于课题组在河南许昌（潮土）和云南曲靖（红壤）开展的旱地农田减氮增效长期定位试验，我们研究了玉米-小麦/大麦轮作下土壤及植物不同部位所代表的生态位中细菌和真菌的群落组成和构建机制。结果表明，在土壤-植物连续体上，细菌和真菌群落构建主要由宿主选择(即作物种类和生态位)决定，地域和地域所代表的土壤和气候因子，以及不同施肥措施仅对非根际土壤微生物群落有显著影响，对植物不同部位的微生物群落影响较小。溯源分析表明作物微生物组主要来自土壤环境并逐步被不同植物部位进行富集和过滤。从土壤到植物表面再到植物内部，宿主选择效应逐渐增加，环境效应逐渐减弱，同时，微生物多样性及网络复杂度相应降低（图2）。
图2 土壤-植物连续体上微生物群落构建示意图（左）和真菌稀有物种在微生物网络互作关系中的重要作用（右）
无论是土壤还是植物不同部位，细菌和真菌群落主要由少量优势类群主导（在每个样品中相对丰度≥1%的 ZOTUs），而其群落多样性主要由稀有物种（相对丰度<0.01%的ZOTUs）所代表。植物不同部位中，真菌群落的丰富物种主要由随机性过程主导，而稀有物种对宿主选择更敏感并且主要由确定性过程主导。此外，我们还发现真菌稀有物种在微生物网络互作及生态系统功能维持（如作物产量及土壤酶活）中发挥着重要作用。这些研究系统刻画了土壤-植物连续体上微生物的组成特征，揭示了宿主选择和环境效应对土壤和作物微生物组群落构建的相对贡献，以及稀有物种在维持微生物组稳定性及生态系统功能中的重要作用，丰富了宿主微生物组群落构建的生态进化理论，并为未来基于土壤、作物微生物组精准调控的农业可持续管理提供了重要信息。以上结果发表于New Phytologist（Xiong et al., 2020）和Environmental Microbiology (Xiong et al., 2020)期刊上。
病毒是地球上数量最多、种类最丰富的生物实体。以往的研究表明，病毒在海洋环境中有着十分重要的生态功能，但目前土壤病毒生态学研究还处于初步发展阶段。课题组通过荧光显微计数和宏病毒组学的方法，结合生物信息学分析，探究了我国典型红壤地区玉米地不同施肥措施下根际与非根际土壤病毒的丰度、物种组成以及潜在的生态功能。结果表明土壤病毒丰度在玉米根际与非根际土壤之间没有显著差异。根际与非根际土壤病毒组共注释到57个病毒科，其中长尾噬菌体科相对丰度最高。有尾噬菌体目是农田土壤主要的病毒类群，通过其terL基因的系统发育分析发现，有尾噬菌体目在土壤中的多样性较高，含有3个新的病毒类群。不同施肥处理间病毒群落组成差异不显著，但根际与非根际之间病毒群落组成差异显著。进一步通过与dbCAN2数据库比对碳水化合物活性酶（CAZymes），共注释到48个CAZymes，分别属于3个CAZyme家族，包括碳水化合物结合模块、碳水化合物酯酶和糖苷水解酶，其中糖苷水解酶的丰度最高（图3）。病毒可能通过碳代谢相关基因的表达影响宿主碳代谢过程，从而影响农田生态系统中碳元素的生物地球化学循环。这一研究结果揭示了农田土壤病毒组相关特征，加深了我们对于植物-土壤-病毒系统相互作用的理解。以上结果发表于Environmental Microbiology (Bi et al., 2020)期刊上。
图3 玉米根际与非根际土壤病毒组群落结构及其对土壤生物地球化学循环的潜在影响
抗生素抗性基因组（Antibiotic resistome）在环境中广泛存在，对人体健康及生态环境具有一定的风险。大量研究已证明，抗生素的滥用和误用是产生抗生素抗性的重要选择性压力，导致环境中ARGs的蓄积。通过对湖南省长株潭地区长期重金属污染的土壤样品，以及大尺度范围上农田和草地土壤样品的调查研究，发现在自然条件下，长期As、Cd污染会显著改变环境抗性基因的分布；在农田生态系统中，人为活动，包括肥料、农药和地膜使用等是影响农田土壤ARGs大尺度空间分布的主控因素；而在我国北方典型草原和荒漠草原土壤中，ARGs的丰度不受放牧强度的影响。以上研究充分阐释了农田土壤中ARGs污染风险，解析了人为的农业管理措施对于土壤ARGs分布特征的重要性，为形成农业优化管理和缓解ARGs传播风险提供了理论依据。相关研究成果分别在Journal of Hazardous Materials（Zhao et al., 2020），Science of the Total Environment（Du et al., 2020），Applied Soil Ecology（Du et al., 2020）等杂志上发表。
以上研究得到了中国科学院战略性先导专项B (XDB15020200)、国家重点研发计划项目（2017YFD0200600和2017YFD0801500）、国家自然科学基金项目（41771289 和41571248）和中科院青年创新促进会等项目的资助。
论文链接：
论文1. https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0647-0
论文2. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720301607
论文3. https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.16890
论文4. https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15262
论文5. https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1462-2920.15010?af=R
论文6. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389419317923
论文7. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719364149
论文8. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0929139319312521
土壤环境科学实验室
2020年10月7日