黄土高原荒漠草原不同土地利用方式对土壤微生物碳磷循环功能基因的影响

本研究针对黄土高原荒漠草原生态系统不同土地利用方式下土壤微生物碳(C)磷(P)循环功能基因的响应机制展开研究。通过宏基因组测序和土壤理化分析，发现速效磷(AP)是驱动微生物群落结构和功能基因组成的最关键因子。研究揭示了人工林土壤具有更高的碳固定和甲烷代谢基因(ppdK、rpiB、mttB、acs等)丰度，而百合土壤表现出最强的微生物互作网络。该研究为干旱半干旱地区土地资源可持续管理提供了重要的微生物学依据。

　　

在广袤的黄土高原上，荒漠草原生态系统犹如一位沉默的守护者，维系着这片土地的生态平衡。然而，随着人类活动的不断干预，多样的土地利用方式正在悄然改变着这片脆弱生态系统的微观世界。土壤微生物作为生态系统的"隐形工程师"，在碳磷循环过程中扮演着关键角色，但人们对不同土地利用方式下微生物功能基因的响应机制知之甚少。

以往的研究多聚焦于土壤碳磷组分的含量变化，而对微生物功能基因的调控机制缺乏系统认识。特别是在黄土高原这样生态脆弱的区域，了解微生物如何适应不同土地利用方式的变化，对于预测生态系统功能和指导可持续土地管理具有重要意义。正是为了填补这一知识空白，金伟杰研究团队在《BMC Microbiology》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员采用了宏基因组测序结合土壤理化分析的研究策略。他们选择了五种具有代表性的土地利用类型：天然草地、20年弃耕地、12年苜蓿草地、5年兰州百合农田和17年侧柏人工林。在每个样地设置三个重复样方，采集0-10厘米深度的土壤样品。通过Illumina HiSeq 2500平台进行高通量测序，平均每个样本产生约6.5Gb的清洁数据。运用MEGAHIT进行从头组装，使用CD-HIT构建非冗余基因目录，并通过KEGG数据库进行功能注释。土壤理化性质包括pH、电导率(EC)、土壤盐分含量(SSC)、有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃-N)、速效磷(AP)、速效钾(AK)和全硫(TS)等指标均采用标准方法测定。

土壤理化性质的差异

研究发现，不同土地利用方式下的土壤理化性质存在显著差异。百合土壤的EC、SSC、TN、NO₃-N、AP、AK和TS含量显著高于其他土地利用类型。弃耕地的土壤TP和TK含量最高，而天然草地的TP含量最低。土壤pH在天然草地和弃耕地中较高，在人工林中最低。相关性分析显示，pH与EC、SSC和NO₃-N呈显著负相关，而SSC与EC呈显著正相关。特别值得注意的是，AP与TS、TP和TK呈正相关关系，表明AP可能是影响微生物群落和功能基因的关键环境因子。

微生物群落的差异

主坐标分析(PCoA)显示，不同土地利用方式下的微生物群落β多样性沿PCoA1轴(45.2%变异)明显分离。PERMANOVA分析表明土地利用对微生物群落组成有显著影响(R²=0.396)。在门水平上，百合农田土壤以富营养型的变形菌门(Proteobacteria)为主，而其他土壤则以寡营养型的放线菌门(Actinobacteria)为主。随机森林模型识别出Caulobacter、Skermanella、Nakamurella和Phenylobacterium等17个关键属在不同土地利用方式中存在显著差异。

碳磷循环功能基因对土地利用的响应

研究共识别出83个碳固定基因、72个中心碳代谢基因和55个甲烷代谢基因。关键碳固定途径的基因丰度在不同土地利用方式间存在显著差异。在二羧酸-4羟基丁酸循环中，sdhA和pps基因的丰度较高；在Calvin-Benson-Bassham循环中，tktA和rpiB基因更为丰富。森林土壤中ppdK、rpiB、glpX、epi(碳固定基因)和purS(嘌呤代谢)的相对丰度显著高于弃耕地。同样，森林土壤中mttB和acs(甲烷生成)、sdhA(TCA循环)、pstS(P转运)和pps(丙酮酸代谢)的水平也高于苜蓿土壤。百合土壤中acr基因(参与羟基丙酸-羟基丁酸循环)和phnE(ABC转运蛋白)的丰度显著高于天然草地和苜蓿土壤。

随机森林模型进一步确定了碳循环中的关键功能基因包括acsE、mcl、mcrA、aclB、pmoC、sdhA、IDH3、pta、acs和mttB，而磷循环中的关键基因为pps、prsA、php、ushA、pbfA和phoA。

碳磷循环微生物对土地利用的响应

通过宏基因组数据，研究识别出参与碳循环的70个门、165个目和968个属，以及参与磷循环的80个门、172个目和970个属。Mantel检验表明，参与碳循环的微生物群落与AP和SSC呈显著正相关，而参与磷循环的微生物群落与AP、TP和TK显著相关。LEfSe分析在属水平上确定了碳磷循环的标志微生物，包括Sphingosinicella、Phenylobacterium、Gaiella和Nakamurella。森林土壤中碳循环的特有标志物为Rhodoplanes、Mycolicibacter、Lacipirellula、Aestuariivirga和Pillinelia，磷循环的特有标志物为Pseudorhodoplanes、Lihuaxuella和Alsobacter。

物种贡献度分析显示，具有acs功能的微生物主要是Solirubrobacter、Nocardioides、Streptomyces和Pseudonocardia，其中Streptomyces在森林土壤中的贡献更大。参与mttB功能的主要属包括Nocardioides、Mesorhizobium、Nordella、Hypericibacter、Pseudonocardia和Afifella，其中Pseudonocardia在天然草地中丰度较高。

微生物互作网络的特征

基于300个最丰富属构建的网络分析显示，不同土地利用方式下的网络结构差异很大。森林土壤网络具有最低的复杂性和最少的边数(碳循环484条，磷循环400条)，同时具有最低的平均路径长度和网络直径。相比之下，百合土壤网络显示出最高的复杂性和最大比例的正相关关系(碳循环81.3%，磷循环73.2%)。苜蓿土壤的正相关边比例最低(碳循环54.7%，磷循环54.1%)，表明微生物共现模式较弱。

研究结论与讨论部分强调，AP是影响微生物群落结构和功能基因组成的最重要土壤因子。不同土地利用方式通过改变土壤理化性质，特别是AP含量，进而影响微生物群落组成和功能基因丰度。森林土壤表现出更高的碳固定和甲烷代谢基因丰度，表明其具有更强的有机质转化能力。百合土壤则显示出最复杂的微生物互作网络和最强的正相关关系，反映了高强度农业管理下微生物群落的协同适应策略。

这些发现不仅揭示了黄土高原荒漠草原生态系统微生物功能适应机制，还为干旱半干旱地区的土地资源可持续管理提供了科学依据。通过调控土地利用方式，可以定向引导土壤微生物功能，从而增强生态系统的碳汇能力和磷循环效率。该研究为区域生态恢复和可持续发展提供了重要的微生物学视角，对未来黄土高原的生态管理和政策制定具有指导意义。