半干旱草原微生物物种组成和功能基因对降水变化的响应

发布时间：2020-11-03 10:06

　　 半干旱草原生态系统是陆地生态系统的重要类型之一,是动植物的重要栖息地和人类的重要生存、生产场所。半干旱草原处在干旱生态系统和湿润生态系统的交界地带,因此对环境扰动尤为敏感。降水是调控土壤含水量的最重要的因子,也是半干旱草原中最关键的限制性因素之一。因此,降水变化对半干旱草原生态系统具有十分重要的意义。已有研究发现植物生物量随着降水量的增加而增加,地上植物与其他环境因素的变化也引起了地下生物所处环境营养水平的变化。地下微生物是生态系统的主要分解者,在元素的地球化学循环中扮演重要角色。但迄今为止,半干旱草原中的土壤微生物群落如何响应降水变化还研究不足。本研究选取了位于美国加利福尼亚州斯坦福大学附近的地中海气候类型下的半干旱草原和位于中国内蒙古自治区锡林郭勒盟多伦县的大陆性季风气候类型下的半干旱草原,利用高通量的MiSeq测序技术和基因芯片(GeoChip)技术,探究了土壤微生物群落的物种组成和功能结构对不同程度的降水变化的响应。研究发现:(1)在物种组成方面,不同的土壤微生物对降水变化具有不同的响应策略。但同一种土壤微生物,如相对丰度较高的放线菌门(Actinobacteria),在两块气候类型截然不同的半干旱草原上,都随着降水的减少而线性增多,表现出较强的耐干旱能力,说明同一类型的土壤微生物的特性可以在不同气候类型的生态系统中得以保持,并对同种环境扰动作出类似的响应。(2)在功能结构方面,不同类别的微生物功能基因对降水变化具有不同的响应:土壤微生物碳降解基因、氨氧化基因、反硝化基因以及响应可利用氮缺乏的基因相对丰度都在降水增加的条件下出现了明显增加;而编码催化氨固定最后一步反应的酶的基因相对丰度则在降水增加的条件下明显下降。这些功能基因的变化说明降水增加可能导致土壤中碳氮含量的降低。(3)土壤微生物群落的物种组成和功能结构对降水变化的响应并不一致,原因可能是二者被不同的环境参数所驱动。土壤微生物的物种组成与土壤温度以及地上植被等环境参数显著相关,而土壤微生物的功能基因与土壤中的营养成分联系更加密切。本研究全面分析了土壤微生物的整体物种组成和功能结构以及微生物的不同分类单元和功能基因,从微生物的角度反映了半干旱草原生态系统对全球降水变化的响应,并对土壤微生物领域相关的理论和技术进行了探讨,揭示了未来研究面临的机遇和挑战。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S812
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景
2浓度上升对半干旱草原生态系统的影响'>        1.1.1 大气CO₂浓度上升对半干旱草原生态系统的影响
        1.1.2 植物多样性减少对半干旱草原生态系统的影响
        1.1.3 土壤氮含量增加对半干旱草原生态系统的影响
        1.1.4 降水变化对半干旱草原生态系统的影响
    1.2 土壤微生物的重要性
    1.3 研究微生物的技术方法
        1.3.1 传统技术方法
        1.3.2 新的技术方法
    1.4 研究目标、内容与技术路线
        1.4.1 研究目标
        1.4.2 研究内容
        1.4.3 研究技术路线
第2章 实验方法和数据分析方法简介
    2.1 获取土壤样品中微生物的DNA
        2.1.1 土壤样品的研磨
        2.1.2 土壤样品中DNA的粗提
        2.1.3 DNA粗提样品的纯化
        2.1.4 DNA纯化样品的质量检测
    2.2 MiSeq测序和基因芯片分析
        2.2.1 MiSeq测序
        2.2.2 基因芯片
    2.3 数据分析方法简介
第3章 分子生态学网络在半干旱草原微生物研究中的应用
    3.1 研究背景
    3.2 研究方法
        3.2.1 试验设计和数据采集
        3.2.2 分子生态学网络的构建
        3.2.3 分子生态学网络的分析方法
    3.3 结果
        3.3.1 分子生态学网络的拓扑学性质
        3.3.2 土壤微生物碳基因网络的模块和关键节点
        3.3.3 土壤微生物氮基因网络的模块和关键节点
        3.3.4 网络拓扑学性质与环境参数之间的关系
    3.4 讨论
    3.5 小结
第4章 基因芯片在半干旱草原微生物研究中的应用
    4.1 研究背景
    4.2 研究方法
        4.2.1 试验设计和样品采集
        4.2.2 环境参数的测定
        4.2.3 数据的分析方法
    4.3 结果
2浓度上升的响应'>        4.3.1 环境参数对大气CO₂浓度上升的响应
2浓度上升的响应'>        4.3.2 整体土壤微生物功能结构对大气CO₂浓度上升的响应
2浓度上升的响应'>        4.3.3 土壤微生物的具体功能基因对大气CO₂浓度上升的响应
        4.3.4 土壤微生物与环境参数的关系
    4.4 讨论
    4.5 小结
第5章 美国加州草原土壤微生物对降水增加的响应
    5.1 研究背景
    5.2 研究方法
        5.2.1 试验设计和样品采集
        5.2.2 环境参数的测定
        5.2.3 数据的分析方法
    5.3 结果
        5.3.1 土壤微生物群落的物种组成对降水增加的响应
        5.3.2 土壤微生物群落的功能基因对降水增加的响应
        5.3.3 土壤微生物的物种组成与环境参数的关系
        5.3.4 土壤微生物的功能结构与环境参数的关系
    5.4 讨论
    5.5 小结
第6章 中国内蒙古草原土壤微生物对降水梯度变化的响应
    6.1 研究背景
    6.2 研究方法
        6.2.1 试验设计和样品采集
        6.2.2 环境参数的测定
        6.2.3 数据的分析方法
    6.3 结果
        6.3.1 土壤微生物群落的物种组成对降水梯度变化的响应
        6.3.2 土壤微生物群落的功能结构对降水梯度变化的响应
        6.3.3 土壤微生物群落的变化与环境参数之间的关系
    6.4 讨论
    6.5 小结
第7章 结论与展望
    7.1 研究结论
    7.2 研究展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文

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本文编号：2868438