(資料圖片僅供參考)
土壤生物多樣性極其復(fù)雜，通常少量土壤中就存在數(shù)十億種生物，包括土壤微生物（細(xì)菌、真菌和原生生物）以及土壤動(dòng)物（線蟲(chóng)）等。明確土壤生物多樣性地理分布模式仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。以前的研究使用定性和圖形框架等簡(jiǎn)單分析方法，僅僅包含少數(shù)共存物種或整體系統(tǒng)模型，側(cè)重于突發(fā)模式但忽略了其潛在機(jī)制。著名生態(tài)學(xué)家James H. Brown等于2004年首次提出了定量評(píng)估不同尺度的系統(tǒng)中微生物多樣性分布模式的框架，即生態(tài)代謝理論（MTE）。簡(jiǎn)言之，該理論預(yù)測(cè)個(gè)體的新陳代謝速率、種群增長(zhǎng)率和物種數(shù)量隨環(huán)境溫度呈指數(shù)增長(zhǎng)。眾所周知，土壤pH值一直被認(rèn)為是決定全球尺度不同土壤細(xì)菌多樣性的主要因素。雖然生態(tài)代謝理論已被廣泛用于動(dòng)植物多樣性的預(yù)測(cè)中，但在解釋不同系統(tǒng)中細(xì)菌多樣性分布模式時(shí)存在矛盾，這可能是因?yàn)楹鲆暳藀H值對(duì)土壤微生物多樣性的影響。
南京土壤研究所孫波和蔣瑀霽團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了生態(tài)代謝理論的定量模型，將pH納入理論框架中，研究pH—溫度雙因素代謝模型對(duì)不同空間尺度下土壤細(xì)菌多樣性變化的預(yù)測(cè)能力，著力于破譯土壤細(xì)菌多樣性分布變化的未解之謎。在個(gè)體水平上，通過(guò)設(shè)置不同溫度和pH梯度的室內(nèi)微宇宙實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了熒光假單胞菌的代謝速率、突變速率以及多樣化速率；在群落水平上，結(jié)合東亞大陸尺度和全球尺度，分析驗(yàn)證了模型在不同種群及不同生態(tài)系統(tǒng)下的適用性。結(jié)果表明，該模型成功預(yù)測(cè)了細(xì)菌多樣性沿土壤pH和溫度梯度的分布模式，對(duì)多樣性變化的解釋度為7%~66%。該研究為定量化解析土壤細(xì)菌多樣性分布提供了一個(gè)模型范例，可以擴(kuò)展應(yīng)用于不同的時(shí)空尺度。在未來(lái)全球氣候變暖加劇的情況下，特別是在全球三大酸雨區(qū)，預(yù)測(cè)細(xì)菌多樣性隨溫度和pH的分布規(guī)律，有助于維護(hù)土壤微生物多樣性和土壤健康，推動(dòng)土壤生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
以上研究成果發(fā)表在PNAS上。該成果得到了國(guó)家優(yōu)秀青年基金和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2207832120
圖1 pH與溫度雙因素代謝模型理論框架
圖2 雙因素模型在不同水平的驗(yàn)證
