写在前面
微生物在调控陆地生态系统的碳储量、植物养分有效性和生物多样性中起着关键作用。土壤微生物的活性、多样性和群落组成受到气候因子（温度、降雨等）、土壤因子（pH、养分等）和植被因子（生物量、多样性等）等的共同影响。通常，随着海拔梯度的增加，环境因子也会随之改变，从而出现不同类型的气候带，影响微生物的群落分布。因此，沿高山海拔气候序列采样可以替代跨气候带采样，用于研究微生物对环境因子的响应规律。当前，沿海拔气候序列的土壤微生物多样性和群落组成已得到广泛研究，而微生物碳代谢功能基因及其代谢产物随海拔梯度的分布规律还不明确。了解微生物碳代谢基因和代谢产物对海拔气候序列的适应性及其影响因素，可为陆地生态系统的碳储量调控提供新的见解。
基于此，浙江大学戴中民、罗煜、徐建明等在国家自然科学基金创新研究群体项目、青年基金项目、中国科协托举人才项目等资助下，与德国University of Gottingen、美国University of Arizona、中国农业大学、中国科学院生态环境研究中心和地理湖泊研究所等国内外高校院所合作，针对非洲乞力马扎罗山的五个海拔梯度土壤作为研究对象，运用宏基因组等技术并结合微生物的代谢产物，聚焦于土壤碳转化微生物及其功能基因对海拔梯度和环境因子（气候因子、土壤因子和植被因子）的响应规律，取得了显著研究进展，相关成果以“Metagenomic insights into soil microbial communities involved in carbon cycling along an elevation climosequences”为题近期发表于Environmental Microbiology（DOI 10.1111/1462-2920.15655）。
主要结果
非洲乞力马扎罗山涵盖了从热带到寒带的五个关键气候带，是研究海拔气候序列下土壤碳代谢微生物分布规律的最佳选择。基于宏基因组测序、CAZyme数据库和KEGG数据库，研究阐明了土壤1）糖苷水解酶（GHs）、糖基转移酶（GTs）等土壤有机碳转化基因和 2）淀粉、碳水化合物酯、几丁质果胶和木质素等土壤碳组分降解基因在五个海拔梯度的丰度及其环境影响因子。在碳代谢基因整体多样性和组成方面，研究发现低海拔梯度（767m）、中海拔梯度(1920 m和2850 m)和高海拔梯度（3880m和4190m）的微生物碳代谢功能基因多样性和组成存在显著差异。其中，编码β葡萄糖苷酶(β-glucosidase)的基因与年降水量和植被指数呈负相关关系，编码几丁质酶（Chitinase）的基因与年平均温度呈正相关关系，编码淀粉合成酶（Starch synthase）的基因与年平均温度成负相关关系。
图1. 非洲乞力马扎罗山
在碳降解典型基因丰度方面，中等矿化有机碳（如碳水化合物酯、几丁质和果胶）的降解基因丰度在中海拔梯度最高，呈驼峰状变化规律。难分解有机碳（如木质素）和易矿化有机碳（如淀粉）的降解基因丰度在低海拔和高海拔地区丰度最高，呈U形状变化规律。这些变化规律与特殊气候带的土壤pH和季节性密切相关。同时，土壤碳组分如淀粉、碳水化合物酯、几丁质和木质素等降解基因丰度与微生物的碳代谢产物对海拔气候序列的响应规律相一致，证实微生物的潜性和活性碳转化能力对海拔梯度的共同响应。
图2. 土壤碳转化基因多样性、丰度与海拔梯度、环境因子的相关性
写在后面
本研究对乞力马扎罗山767m至4190m的5个不同海拔地区的土壤有机碳微生物分解和合成潜力进行了剖析，在海拔梯度与微生物多样性的过往研究上进行了功能（碳转化）层面上的填补，为气候变化下如何调控生态系统碳储量提供理论依据。基于宏基因组学的微生物碳转化基因与代谢产物变化趋势的一致性可以一定程度上支持宏基因组在微生物驱动的养分转化过程的应用，但建议与土壤组分分析、过程分析或其他组学技术相结合。研究中发现的温度、降雨、pH等影响因素与微生物碳转化能力的关联，可以预测气候变化对特定土壤有机质库储存和通量的影响。研究还挖掘出了具有不同碳组分（如糖类、几丁质等）矿化潜能的微生物属，为阐明土壤有机碳组分的转化机理提高微生物资源。
图3. 土壤微生物碳转化功能基因、代谢产物随海拔梯度和环境因子的变化规律
论文链接
https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1462-2920.15655
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