四种典型土壤稀有微生物群落的构建机制和演替模式

Rare microbial community represents a tremendous reservoir of genetic and functional diversity that could mediate ecosystem stability and function. Previous studies about the distribution of rare microbes mainly focused on aquatic environments; however, we still lack comprehensive knowledge of ecological diversity patterns of rare microbes in soil ecosystems. Here, our project aims to investigate the assembly and succession mechanisms of rare microbial communities and their contributions to ecosystem multifunctionality in different soil ecosystems. The soil samples are collected from the fields of farmland, grassland, wetland and desert located in hexi corridor area. The high-throughput sequencing and shotgun metagenomics will be used to analyze soil microbial diversity and structure at the taxonomic and functional levels. Specifically, the following three objectives will be addressed: (1) microbial assembly mechanisms and ecological diversity patterns of rare and abundant taxa in different soil ecosystems; (2) ecological linking between rare microbial functional profiles and ecosystem multifunctionality in soil ecosystems; (3) the successional trajectories and mechanisms of rare and abundant community members and their intrinsic driving forces. Overall, our work will provide novel insights into the generation and maintenance mechanisms of microbial diversity of terrestrial ecosystems and their contributions to ecosystem multifunctionality on both the taxonomic and functional traits. The results will be valuable for ecosystem restoration and environmental management in guiding soil ecosystems practices.

稀有微生物是微生物群落的重要构成，具有丰富的遗传和功能多样性，可以调节生态系统稳定性和功能。目前，国内外对于稀有微生物的研究处于初步阶段，并集中在与水体相关环境中，但对于土壤生态系统中稀有微生物的群落构建模式和演替机制还不清楚。因此，本项目将以稀有微生物为研究对象，以旱区河西走廊地区耕地、草地、湿地和荒漠四种典型土壤生态系统为主线，通过利用微生物群落的高通量测序和微生物功能的宏基因组测序等技术手段，运用分子生态网络构建、随机森林和结构方程模型等生态学方法，结合生态系统多功能指数，依次开展不同土壤生态系统稀有和丰富微生物的群落构建模式和驱动机制研究，探索稀有微生物的功能及其与生态系统多功能性的贡献和耦合机制，揭示不同土壤生态系统稀有和丰富微生物的演替模式和驱动因素。以期探明土壤生态系统微生物多样性的产生和维持的机理，为陆地生态系统物质循环和生态系统功能性维持和调控提供重要线索。

土壤微生物在陆地生态系统服务和功能方面发挥重要作用。但是，在不同类型土壤生态系统中，土壤微生物空间分布格局及其形成机制尚不明确。本项目针对旱区河西走廊地区农田、草地、湿地和荒漠四种典型土壤生态系统，通过高通量测序手段，分析了不同生态系统的土壤细菌、古菌和真菌群落结构以及驱动因素；研究了土壤微生物群落在大尺度上的空间分布格局和群落构建机制；评估了微生物的生态位保守性与其生物地理分布之间的相关性；探索了生物相互作用对土壤微生物多样性-多养分循环关系的潜在影响。结果发现，气候因素是驱动西北旱区土壤微生物生物地理分布的最重要因素。随着干旱指数的增加，稀有和丰富类群的生物多样性（α多样性和β多样性）、物种共存模式、群落组装过程和系统发育生态位保守性均表现出非线性的响应模式，发生突变的干旱阈值约为0.92。与自然生境相比，农田土壤真菌群落表现出更强的距离-衰减关系和更宽的生态位宽度，且更强烈地受到随机构建过程的影响；古菌类群对年平均降雨量具有最强的系统发育信号响应，且系统发育多样性与群落组装过程显著相关，系统发育多样性随随机性过程的增加而降低，共发生关系随年平均降雨量的增加而增加。此外，随机性构建过程增强了微生物多样性与多养分循环关系的联系，而细菌-真菌的负相关关系削弱了这种联系。本项目揭示了旱区典型生态系统土壤微生物的空间分布规律和群落构建机制，系统阐述了不同生态系统土壤细菌、古菌和真菌对水分胁迫的响应模式，从气候条件、养分水平和生物相互作用的角度揭示土壤微生物多样性对土壤多养分循环的贡献，为旱区土壤微生物多样性的保护及土壤养分循环策略的指定提供理论依据。

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