我国东部土壤氮转化微生物的功能分子生态网络结构及其对作物的响应_汪峰.pdf

2014 年 第 59 卷 第 4-5 期：387 ~ 396 《中国科学》杂志社 论 文 SCIENCE CHINA PRESS 我国东部土壤氮转化微生物的功能分子生态网络结构 及其对作物的响应 ①② ③ ①* 汪峰 , ZHOU JiZhong , 孙波 ① 中国科学院南京土壤研究所, 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 南京 210008; ② 中国科学院大学, 北京 100049; ③ Institute for Environmental Genomics and Department of Botany and Microbiology, University of Oklahoma, Norman OK 73019, USA * 联系人, E-mail: bsun@ 2013-06-25 收稿, 2013-07-19 接受, 2013-09-12 网络版发表 国家自然科学基金 、国家重点基础研究发展计划(2011CB100506)和中国科学院知识创新工程重要方向项目(KSCX2- YW-407)资助 摘要 农田土壤-植物系统的氮素循环影响了生产力和环境, 但土壤微生物之间的相互作用对氮 关键词 素循环的影响机制仍不清楚, 同时这种相互作用如何响应种植作物等管理方式也不明确. 本研 氮转化基因 究在中国东部3 个气候带, 选择3 种典型的地带性土壤类型(寒温带黑土、暖温带潮土和中亚热带 功能分子 红壤)设置不种植(裸地, non-cropping)和种植玉米(cropping) 的田间试验, 基于高通量基因芯片测 生态网络 种植玉米 定不同土壤共有的氮转化基因(核心氮转化基因), 利用随机矩阵方法建立土壤核心氮转化基因的 黑土 分子生态网络, 揭示种植玉米对土壤核心氮转化基因网络结构的影响. 研究表明种植玉米增加了 潮土 土壤中大部分核心氮转化基因的丰度, 显著提高了核心氮转化基因网络的复杂程度. 网络拓扑结 红壤 构的模块数由裸地处理的8 个增加到种植玉米的28 个. 裸地土壤核心氮转化基因网络有2 个模 块枢纽, 其关键基因为固氮基因(nifH); 种植玉米后网络有 9 个模块枢纽, 其关键基因包含固氮 (nifH)和反硝化基因(narG 和nosZ). 土壤核心氮转化基因的功能分子生态网络结构与植物、气候、 土壤等因素显著相关, 说明农田管理和环境条件的变化可以通过改变微生物的分子生态网络结 构, 影响其驱动农田养分循环的功能. [1] 氮素是植物生长必需的养分元素 , 农田氮素循 生态网络分析技术是一种基于数学模型分析生 环过程影响了生态系统生产力, 同时由于不合理的 态系统中内在作用关系的系统分析方法[11]. 近年来, 氮肥管理产生的活性氮也影响了水体和大气的环境 生态网络分析技术在研究大型生物群落物种之间的 质量[2~4]. 土壤微生物是氮素等养分元素循环的引 相互作用中显示出良好的效果[12~14], 也开始应用于 擎[5], 大量的研究表明土壤微生物群落结构控制了不 探索微生物生态网络结构[15~18].