自然風干是公認的土壤樣品保存方法,在農業環境與地球科學研究中具有廣泛應用,但其生物學研究卻存在較大爭議。主要原因是:學術界一般認為,風干土壤能較好地保存并反映土壤物理化學屬性的空間變異規律,但風干會導致生物微環境發生劇烈變化,不能反映真實原位環境中生物的功能意義。針對這一難題,我室微生物研究課題組巧妙利用長期定位實驗平臺和地質油氣資源形成規律,聯合美國、英國、意大利、日本和國內研究團隊,發現自然風干土壤可用于甲烷和氨氧化功能微生物研究,為海量微生物資源發掘和功能調控研究的樣品保存提供了重要依據。

課題組依托中科院江蘇常熟農田生態系統國家野外科學觀測研究站,基于20余年的稻麥輪作野外觀測平臺,通過先進的分子生物學技術,發現與對照不施肥處理(CK)的新鮮土壤相比,22年長期施用化肥(NPK)或化肥配施有機肥(NPK/OM)顯著改變了氨氧化細菌(AOB)的群落組成,但對氨氧化古菌(AOA)沒有明顯影響,闡明了長期施肥下細菌AOB驅動中性水稻土氮肥氧化的規律(Soil Sci Soc Am J . 2011. 75: 1431)。在此基礎上,課題組將新鮮土壤風干,得到了一致規律,表明自然風干的土壤樣品,也能很好地反映長期人為活動對氨氧化細菌AOB的影響規律(Biol Fert Soils. 2019. 55: 419)。這一成果也為美國、英國和意大利以及國內野外定位試驗站土壤生物學樣品保存策略提供了參考。

進一步比較了旱地和稻作農田,發現與新鮮土壤相比,自然風干處理導致氨氧化古菌AOA和細菌AOB的數量顯著降低,但是,新鮮和風干條件下,兩種類型土壤的微生物數量變化規律基本一致,表明風干處理后,土壤微生物數量仍然能夠反映不同類型樣品之間的差異,可用于微生物學研究(微生物學報 2012. 52: 894)。在此基礎上,比較研究了中國生態系統研究網絡中10個森林臺站歷史風干土壤樣品及其微生物復蘇能力,利用高通量測序氨氧化細菌AOB和古菌AOA的關鍵功能基因amoA,結合實時熒光定量PCR和DGGE指紋圖譜技術,發現加水復蘇后,土壤AOA和AOB的群落組成無明顯變化。表明風干保存的土壤樣品可用于后續微生物分離培養及下游遺傳代謝研究(微生物學報. 2014. 54: 1311)。

甲烷氧化微生物被認為是油氣藏勘探指示微生物,并與氨氧化微生物具有高度相近的系統發育關系。課題組針對油氣藏和非油氣藏上方的土壤剖面,系統比較了新鮮、自然風干和冷凍干燥3種處理下甲烷氧化細菌對油氣藏形成的適應規律,發現與新鮮土壤相比,盡管自然風干和冷凍干燥顯著降低了甲烷氧化細菌pmoA基因數量,但是,油氣藏上方土壤剖面依然檢測到了大量的甲烷氧化細菌pmoA基因。表明風干土壤可用于油氣資源勘探指示微生物的檢測(土壤 .2013. 45: 129-134)。進一步選擇了日本、中國和非洲典型樣品,利用原位RNA活性檢測和高通量測序技術,也得到了類似規律(土壤學報 2017. 54: 191;Front. Microbiol. 2017. 7:1101. doi: 10.3389/fmicb.2016.01101)。

這些研究表明風干土壤可用于氨氧化和甲烷氧化微生物學研究,為進一步發掘重要功能微生物資源及其應用提供了科學依據。研究工作得到了中科院戰略性先導科技專項(XDB15040000),國家自然科學基金(41530857, 41501267, 41471208)和土壤與農業可持續發展國家重點實驗室等項目的資助。

長期施肥對氨氧化細菌和古菌群落結構的影響

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