全球变化下的山地微生物组和生态系统功能的研究综述

山地主要是由造山运动等地质过程形成，常具有明显的海拔落差和气候环境差异。山地覆盖了25％的地球表面，是陆地80%以上淡水资源的发源地；具有复杂多样的自然景观与丰富的生物多样性，居住着地球上超过80%的两栖动物和1/3的陆地植物。

然而，山地生态系统也是地球上典型的脆弱生态系统之一，正处在受全球环境变化影响的最前沿，其生态环境破坏与恶化的趋势十分明显，如冰川消融加速、土地利用增加、富营养化加剧、生物多样性丧失等，是全球环境变化研究的热点地区、生态保护与恢复的关键区域。

山地环境微生物是介导碳氮磷硫等生源要素地球化学循环的重要引擎和全球变化的调节器；在气候变化加剧和人为干扰与日俱增的背景下，微生物群落结构和功能研究的重要性和紧迫性日趋凸显。250多年来，山地环境为植物和动物群落梯度研究提供了经典的自然系统模型。近10多年来，山地环境微生物组的探索也取得了长足的进展。山地环境微生物多样性和生态系统功能的研究得到广泛关注，相应的群落分布规律、形成机制及其对全球环境变化的响应等方面的研究成果，亟需整合和归纳。

相关研究成果以邀稿研究综述的形式，发表在生态环境领域经典期刊New Phytologist

研究检索了涉及山地湖泊、河流或土壤生境中细菌、真菌、古菌和硅藻等微生物多样性的文献资料，系统整合分析和综述了文献所报道的238个数据集，通过归纳比较山地水体和陆地生态系统，揭示了微生物群落的垂向分异规律和形成机制，并对相应的前沿关键科学问题进行初步展望。

图1 微生物群落沿着山地垂直气候带的区系分布

图2 山地水体和陆地微生物α和β多样性的海拔分布模式

图3 山地水体和陆地微生物群落形成的驱动因子和驱动机制

研究发现，微生物群落组成常常具有沿着山地垂直气候带（即温度梯度）分布的生物区系（图1），表现出经典的距离衰减规律，即空间距离越近的微生物，其群落结构越相近。此外，微生物群落的特异性呈现U型的垂向分异规律，即高海拔和低海拔的群落结构最为特殊；然而，微生物alpha多样性的垂向分异规律在不同生境和生物类群之间仍存在差异（图2）。整体而言，陆地和水体微生物的群落形成均主要受到确定性过程的影响；通过建立一种新的关键环境因子定量方法，研究揭示了陆地生态系统多样性的驱动因子主要为pH、温度和植被特征，而水体生态系统中则为温度、pH和磷酸盐（图3）。

图4 山地微生物的前沿研究领域和核心问题

最后，研究展望了山地微生物组潜在的前沿研究方向和相关的关键科学问题；包括但不限于下述研究方向：围绕生物多样性理论，考察多类型生境和关键驱动要素，依托野外实验和功能性状等新方法，通过模型模拟等，揭示微生物多样性-功能的形成和耦合机制，最后建模并预测微生物群落和功能对全球环境变化的响应（图4）。整体而言，研究成果为山地环境微生物组和功能的研究现状提供了系统回顾、总结和展望，为山地生态环境保护和可持续发展提供了科学参考。山地系统作为全球变化研究的重要组成部分，全面认识其微生物及功能对全球环境变化的响应与反馈，将为全球山地生态系统的保护、水土资源和生物资源的可持续利用等提供决策参考。

文章第一作者和通讯作者是中国科学院南京地理与湖泊研究所王建军研究员，湖南农业大学胡盎副教授和王建军课题组博士研究生孟凡凡为共同第一作者。研究得到了清华大学杨云锋教授、赫尔辛基大学Janne Soininen教授、南京大学沈吉教授、俄克拉荷马大学周集中教授等指导，也得益于安芷生院士、贺纪正教授、吴庆龙研究员、褚海燕研究员、李香真研究员、张更新研究员、葛源研究员、刘勇勤教授、王子健研究员、申聪聪副研究员、罗煜副教授、戴中民副研究员、Holly Slater博士、Francis Martin院士等专家长期大力支持。研究受到国家自然科学基金、第二次青藏科考、中科院中-非联合研究中心、国家重点研发计划、中科院前沿重点等项目的资助。特别感谢美国国家地理、中国科学院南京地理与湖泊研究所等提供了启动项目，支持了山地环境微生物的前期研究。

文章链接：https://doi.org/doi:10.1111/nph.18051

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