土壤微生物生态过程与微生物功能基因多样性[1]

土壤微生物生态过程与微生物功能基因多样性

3

张　晶1,2

　张惠文

133

　李新宇1　苏振成1　张成刚

1

(1中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;2

中国科学院研究生院,北京100039)

【摘要】　土壤微生物在陆地生态系统中具有重要的生态功能,包括参与地球化学物质循环、污染物降解、

环境剧烈变化的缓冲等.土壤微生物的生态功能与土壤功能联系密切,微生物群落结构与组成变化会直接影响土壤功能的发挥.土壤微生物通过具有生物活性的酶参与一系列的代谢活动,编码酶的功能基因成为微生物功能标记物.近10年中,以功能基因多样性为核心的分子生态学研究迅速发展,为从功能基因角度了解土壤微生物的生态功能提供了一个新的切入点.本文综述了与土壤微生物生态功能相关的功能基因多样性研究进展,并对该领域的发展前景提出展望.

关键词　土壤功能　微生物　生态功能　功能基因多样性文章编号　1001-9332(2006)06-1129-04　中图分类号　Q939.96　文献标识码　A

So il m i crob i a l ecolog i ca l process and m i crob i a l functi ona l gene d i versity .ZHANG J ing 1,2

,ZHANG Hui 2

wen 1,L I Xinyu 1,S U Zhencheng 1,ZHANG Chenggang 1(1

Institute of A pplied Ecology,Chinese A cade m y of Sci 2

ences,Shenyang 110016,China;2

Graduate U niversity of Chinese A cade m y of Sciences,B eijing 100039,China ).2Chin .J.A ppl .Ecol .,2006,17(6):1129～1132.

Soil m icr obes in terrestrial ecosyste m carry out a series of i m portant ecol ogical functi ons,such as geo 2chem ical cy 2cling of elements,degradati on of pollutants,and buffering t o the acute changes of envir on ment,etc .Soil m icr obi 2al ecol ogical functi on has a cl ose relati on with s oil functi on,and the changes in the structure and compositi on of s oil m icr obial populati ons can directly affect the realizati on of s oil functi on .Thr ough their p r oduced enzy mes,s oil m icr obes take part in a series of metabolic activities,and the functi onal genes of coded enzy mes are the functi onal markers of m icr obes .I n recent ten years,molecular ecol ogy focusing on the functi onal gene diversity has been de 2vel oped rap idly,which gives us a ne w cut 2in point t o understand s oil m icr obial ecol ogical functi on fr om the point of functi onal gene .This paper revie wed the research advances in the functi onal gene diversity correlated t o s oil m icr obial ecol ogical functi on,with the pers pectives in this field discussed .

Key words Soil functi on,M icr oorganis m,Ecol ogical functi on,Functi onal gene diversity .

3国家重点基础研究发展规划项目(2004CB418503)和国家自然科

学基金资助项目(30440031).33通讯联系人.E 2mail:hui w en -zhang@yahoo 2005-06-16收稿,2006-03-26接受.

1　引 言土壤微生物是陆地生态系统不可或缺的分解者,在地球化学物质循环、污染物降解转化和污染环境修复、环境剧烈变化的缓冲等方面发挥着举足轻重的作用,对陆地生态系统的可持续发展具有重要意义.土壤微生物生态功能与土壤质量之间存在着密切的联系,微生物功能多样性变化能直接反映土壤生态系统受到各种干扰因子影响的状况.土壤微生物功能主要指土壤微生物分解功能、营养传递功能及促进(或抑制)植物生长的功能.编码相关酶的功能基因作为土壤微生物功能标记物,成为了解微生物功能多样性信息与土壤功能之间关系的纽带,并成为微生物生态学中微生物多样性研究的又一新的研究领域.随着分子生物学技术的发展,应用先进的分子系统学、微阵列技术[35,36]、功能基因组学技术和原位活性检测技术从宏基因组文库中发掘基因组进化和功能信息,进而探索微生物生态系统结构与土壤功能之间的关系,成为重新评价土壤质量与功能的新切入点.用参与相关土壤微生物生态过程的功能基因多样性(包括丰度和结构)来指示土壤微生物的生态功能更具有现实意义.

2　与土壤生物地球化学过程相关的功能基因多样性211　固氮过程

微生物固氮作用是增加土壤氮素含量和生物有效性的重要方式,其中微生物固氮酶复合物包括两个保守蛋白:即由nif D 和nifK 基因编码的钼铁蛋白和由nif H 基因编码的铁蛋白.固氮酶编码基因nifH 是基因进化过程中最古老的功能基因,其系统进化关系和16S r DNA 相一致.研究者关注固氮基因多样性,主要考虑究竟是哪些因素影响着固氮基因的转录与表达,进而探究如何提高土壤微生物的固氮效率.研究发现土壤管理制度、植被覆盖和物理化学性质是造成土壤

nifH 基因多样性差异的重要因素.其中土壤管理制度是造成

差异的主要因素,其次是土壤物理化学性质[28].在土壤管理过程中,肥料施用在不同程度上影响着土壤固氮功能基因

nifH 的多样性

[15,34]

.Yeager 等

[37]

在研究土壤质量从未开垦

沙漠荒地到已开垦农田的演替过程中发现,已开垦农田固氮

应用生态学报　2006年6月　第17卷　第6期

CH I N ESE JOURNAL OF APP L I E D EC OLOGY,Jun .2006,17(6):1129～1132