摘要
土壤微生物多样性研究是整个生态系统研究中最薄弱的环节之一。高通量测序技术和生物信息学方法的快速发展极大地促进了土壤微生物多样性监测研究的深度和广度。目前世界范围内已经开展了一些综合的微生物多样性研究计划,如地球微生物计划。这些计划存在的主要问题是缺少动态的监测、研究方法不统一、数据整合困难等。中国土壤微生物多样性监测网(SoilMicrobialObservationNetwork,SMON)是中国生物多样性监测与研究网络(ChineseBiodiversityMonitoringandResearchNetwork,SinoBON)的重要组成部分,本文中我们对该监测网的建设提出了一些思考。在监测布局上建议选择我国南北水热梯度下的森林生态系统、东西降雨梯度下的草原生态系统、典型湿地生态系统及重要农田生态系统,同时依托现已建成的生物多样性监测网络观测点或大样地,布设监测样点,利用现代环境基因组学和生物信息学技术,重点围绕土壤微生物群落和功能基因组的组成与多样性,开展长期定点的动态监测。监测的结果将以名录、数据集或图鉴的形式发布,包括中国典型生态系统中土壤细菌、古菌、真菌与地衣、土壤宏基因组和重要功能基因的组成和多样性等数据,同时建设土壤生物大数据平台,达到监测数据的储存、查询、分析、下载、成图的功能。通过土壤微生物多样性监测,将阐明我国重要森林、草地、湿地、农田生态系统中土壤微生物组成、多样性、功能基因的时空变化特征和驱动机制,建立土壤微生物多样性变化与生态系统功能的关系及相关的模型,预测全球环境条件变化下土壤微生物的演变规律,为土壤微生物多样性资源的保护和利用提供科学依据。
土壤微生物是地球上多样性最高、物种最丰富的生物类群之一,是生物地球化学过程的关键驱动者(Torsvik?vre?s,;Veresoglouetal,)。每克土壤中仅微生物数量就可能有上亿,微生物物种可高达数万,包括真菌、细菌、古菌等。因此,土壤是最丰富的菌种资源库,例如产抗生素的菌株大多分离自土壤。另一方面,土壤中的微生物含有各种功能基因,是一个巨大的基因资源库,构成了土壤微生物宏基因组(soilmetagenomics)。
土壤微生物多样性包括物种和基因多样性,其形成受到时间(进化)和空间(地理分布)因素的共同作用(Ohtonenetal,;Lynchetal,),因受到自然和人类活动的影响而面临丧失的风险(Veresoglouetal,)。揭示土壤微生物的物种和基因多样性形成机制与时空分布格局等,对于深入认识地下生态系统的结构和功能以及开展微生物多样性资源的保护和利用具有重要意义。
不同于植物和动物,土壤微生物(除大型真菌与地衣外)个体微小,难以用肉眼观测到,也不能直接在野外用仪器监测,而且绝大多数微生物至今还不能够被分离培养。由于手段的限制,以往的研究常把土壤微生物系统当作一个黑箱来处理,对微生物多样性的监测研究是整个生态系统研究中的薄弱环节之一。最近10年发展起来的高通量测序技术使核苷酸序列测定有了革命性的进步,为监测微生物的多样性、群落结构与环境基因组的时空变化提供了强有力的手段(Gonzalezetal,)。当今常见的监测过程是把野外获得的土壤样品运送到实验室,然后对提取的DNA进行序列测定,再通过生物信息学方法对微生物类群和基因进行鉴定和分类(Liuetal,)。
本文在简要分析土壤微生物多样性研究现状的基础上,对中国土壤微生物多样性监测网络(SoilmicrobialObservationNetwork,SMON)的建设提出一些思考,包括监测点的选择、监测方法、监测结果的发布形式及监测数据的信息化等,供大家讨论。
1土壤微生物多样性研究的现状
近年来,高通量测序、DNA条形码技术以及生物信息学等新方法的快速发展,为大规模、快速、准确、全面检测土壤微生物多样性提供了技术保障,已成为当前微生物多样性研究的一个热点。世界各国开展了一些土壤生物学方面的研究计划,发展了很多新的研究方法,使人们对土壤微生物的组成和功能多样性及其时空分布有了更深入的认识(Orgiazzietal,)。欧盟自年起资助了国际合作项目EcoFINDERS(EcologicalFunctionandBiodiversityIndicatorsinEuropeanSoils),重点研究土壤微生物和动物多样性及其与地上生物多样性的关系(Lemanceau,)。年发起的全球土壤生物多样性倡议(GlobalSoilBiodiversityInitiative,北京白癜风医院咨询哪里白癜风医院比较好
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