森林生態(tài)系統(tǒng)作為“地球之肺”孕育著豐富的生物多樣性，具有調(diào)節(jié)氣候，固定碳氮元素，儲(chǔ)存水，提供木材和穩(wěn)定土壤等功能。森林土壤通常表現(xiàn)為磷缺乏的現(xiàn)象，土壤里磷的輸入主要來自于含有機(jī)磷動(dòng)植物殘?bào)w的降解。磷脂和植酸作為主要的有機(jī)磷化合物能夠分別被磷酸酶和植酸酶水解。植酸降解的中間產(chǎn)物能夠進(jìn)一步為磷酸酶所水解。因而，通常用土壤磷酸酶的活性來反映有機(jī)磷礦化的水平。磷酸酶包括酸性磷酸酶和堿性磷酸酶，前者主要由植物分泌，后者主要由微生物分泌。在原核生物中發(fā)現(xiàn)有三個(gè)保守的產(chǎn)堿性磷酸酶的基因（phoA, phoD和phoX），其中含phoD基因細(xì)菌在土壤和水生環(huán)境中分布廣泛而通常作為有機(jī)磷礦化的生物標(biāo)志物。解析陸生生態(tài)系統(tǒng)里含phoD基因細(xì)菌地理分布模式和多樣性特征對評估生態(tài)系統(tǒng)的健康和植被生產(chǎn)力具有重要意義。然而，森林系統(tǒng)里含phoD基因細(xì)菌多樣性維持機(jī)制的研究不夠深入。 

　　中國科學(xué)院水生植物與流域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、武漢植物園環(huán)境基因組學(xué)學(xué)科組萬文結(jié)副研究員與楊玉義研究員，同中南民族大學(xué)何冬蘭教授開展合作，以湖北神農(nóng)架林區(qū)森林土壤為研究對象，使用Illumina MiSeq技術(shù)確定了含phoD基因細(xì)菌的豐度、組成和多樣性；測定了土壤的理化性質(zhì)和堿性磷酸酶活性；使用多種統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法以揭示高海拔（>1500 m）和低海拔（<1500 m）區(qū)域含phoD基因細(xì)菌對環(huán)境的適應(yīng)性和群落構(gòu)建機(jī)制。 

　　研究結(jié)果表明：土壤溫度、電導(dǎo)率、速效鉀含量和phoD基因豐度在低海拔區(qū)域更高。堿性磷酸酶活性在高海拔和低海拔區(qū)域未有顯著性差異。然而，高海拔區(qū)域含phoD基因細(xì)菌的多樣性明顯更高，且系統(tǒng)發(fā)育聚集明顯更緊密。含phoD基因細(xì)菌在高海拔區(qū)域較低海拔地區(qū)具有更寬的環(huán)境閾值和更強(qiáng)的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)，因而含phoD基因細(xì)菌在高海拔區(qū)域體現(xiàn)出更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。此外，含phoD基因細(xì)菌的群落構(gòu)建在低海拔區(qū)域受隨機(jī)性和確定性過程共同主導(dǎo)，在高海拔區(qū)域主要受隨機(jī)性過程主動(dòng)。研究人員重新設(shè)置了1000、1100、1200、1700、1900、2100和2500 m七個(gè)海拔閾值，結(jié)果表明在1100–1500 m海拔區(qū)域內(nèi)，上述結(jié)論具有魯棒性。鑒于前人文獻(xiàn)報(bào)道知神農(nóng)架林區(qū)植物多樣性在高于海拔1500 m和低于海拔1500 m具有明顯的差異，我們推測海拔1500 m亦可能是分化含phoD基因細(xì)菌多樣性的關(guān)鍵海拔閾值。該研究為森林生態(tài)系統(tǒng)里有機(jī)磷礦化相關(guān)細(xì)菌多樣性的維持提供了新的見解和分析手段，豐富了森林生態(tài)系統(tǒng)里有機(jī)磷礦化相關(guān)的知識(shí)。 

　　該研究受國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中央高校基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)和自然資源部城市土地資源監(jiān)測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助，研究成果以“Adaptation of phoD-harboring bacteria to broader environmental gradients at high elevations than at low elevations in the Shennongjia primeval forest”為題，發(fā)表在SCI期刊Geoderma （中科院1區(qū)，top10%, IF₅=5.18）雜志上。萬文結(jié)副研究員為論文的第一作者，楊玉義研究員為論文的通訊作者。 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.11521 

圖1 神農(nóng)架林區(qū)土壤有機(jī)磷礦化相關(guān)細(xì)菌在不同海拔閾值下環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境限制