微生物是地球最早出现的生命形式，这种简单而古老的生命决定了地球演化的方向和进程，推动了土壤的发生和发育，孕育了人类的文明事实上，土壤中蕴藏的巨大微生物多样性，被称为地球关键元素循环过程的引擎，是联系大气圈、水圈、岩石圈及生物圈物质与能量交换的重要纽带，维系着人类和地球生态系统的可持续发展，今天小编就来聊一聊关于土壤微生物学原理与应用?接下来我们就一起去研究一下吧!
土壤微生物学原理与应用
微生物是地球最早出现的生命形式，这种简单而古老的生命决定了地球演化的方向和进程，推动了土壤的发生和发育，孕育了人类的文明。事实上，土壤中蕴藏的巨大微生物多样性，被称为地球关键元素循环过程的引擎，是联系大气圈、水圈、岩石圈及生物圈物质与能量交换的重要纽带，维系着人类和地球生态系统的可持续发展。
近30 年来，随着各种先进物理化学手段的出现，特别是高通量测序技术的指数式发展，土壤微生物学成为地球科学与生命科学的新兴学科增长点和交叉前沿，蕴藏于土壤中的巨大微生物多样性被认为是地球元素循环的引擎，而每克土壤中数以亿万计的微生物中，高达 99% 的物种及其功能尚属未知，因此被称为地球“微生物暗物质”。这些海量的微生物与复杂的土壤环境总称为土壤微生物组（Soil Microbiome），是工农业生产、医药卫生和环境保护等领域的核心资源之一，已经成为新一轮科技革命的战略高地，得到了世界各国政府的高度重视。本片我们将围绕近期发表的土壤微生物相关报道进行汇总，以供大家参考：
【1】Global Change Biology:揭示氮富集提高土壤微生物碳利用效率的新机制
2022-06-14报道，中国科学院植物研究所研究员杨元合团队等以青藏高原高寒草原生态系统为研究对象，依托野外长期氮添加控制实验平台，结合18O-DNA标记、高通量测序等技术揭示了氮添加影响土壤微生物CUE的新机制。研究人员发现，矿物保护作用减弱引起的土壤碳可获取性增加是导致氮输入背景下微生物CUE增加的关键途径。这一发现并不支持“微生物养分限制缓解和土壤酸化导致土壤微生物CUE变化”的传统认识。
植物-微生物-矿物交互作用调控土壤微生物碳利用效率对氮输入的响应
进一步研究发现，矿物保护作用的减弱与植物多样性下降、真菌群落组成变化以及土壤草酸含量的增加有关。该研究揭示了氮输入通过改变植物-微生物-矿物交互作用调控土壤微生物生理代谢过程的新机制，为准确理解氮富集背景下的土壤碳动态提供了新视角。 该研究结果于近日在线发表在Global Change Biology上。该研究得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等项目的资助。
【2】土壤微生物群落结构对高寒草地退化和恢复演替的响应研究中取得进展
2022-04-18报道，气候变化和土地利用，导致青藏高原高寒草地的退化。人工草地建植是应对高寒草地退化的重要人工干预恢复方式。而这种退化和恢复过程对土壤微生物群落和土壤质量的影响尚不清楚。中国科学院西北高原生物研究所青海省寒区恢复生态学重点实验室选取了四个退化阶段（轻度、中度、重度和极度退化）和三个恢复阶段（人工建植1、5和10年）的草地，研究发现，与轻度退化草地相比，重度退化草地土壤总氮和有机质含量分别降低了37.4%和45.08%。
建植10年的人工草地土壤总氮和有机质含量分别提高了33.10%和30.42%。与微生物相关的土壤酶活性随退化梯度的增加而降低，随恢复时间增长而增加。不同退化和恢复演替阶段的细菌和真菌群落结构存在显著差异。LEfSe分析表明，29个真菌分支和9个细菌分支对退化演替敏感，16个真菌分支和5个细菌分支对恢复演替敏感。高寒草地土壤微生物群落结构深受退化和恢复过程的影响，真菌群落比细菌群落对草地演替更为敏感。人工建植可以作为恢复退化草地的有效方法，而人工草地的土壤功能即使经过10年的恢复，也不能恢复到高寒草地的原始状态。
OTU水平上微生物群落在退化/恢复梯度的非度量多维尺度图（NMDS）
相关研究成果以Responses of soil microbial metabolic activity and community structure to different degraded and restored grassland gradients of the Tibetan Plateau为题，发表在Frontiers in Plant Science上。研究工作得到第二次青藏高原综合科学考察研究、中科院-青海省人民政府三江源国家公园联合研究专项、国家自然科学基金的支持。
【3】Soil Biology & Biochemistry：研究提出土壤微生物群落定量研究优化策略
2022-03-14报道，近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所植物营养团队研究提出土壤微生物群落定量研究优化策略。相关成果发表在《土壤生物学与生物化学（Soil Biology & Biochemistry）》上。
微生物群落的组成和功能在人类健康、全球元素循环、作物生长和植物抗病中发挥关键作用。随着高通量测序等技术的革命性突破，极大地增加了我们对微生物多样性、群落结构和物种组成的认识。然而，测序数据仅提供微生物群落的相对丰度变化，忽略了微生物绝对数量的变化规律。针对高通量测序数据的这一缺陷，研究人员已经开发出多种微生物绝对丰度定量方法，例如，内参法（spike-AMP）、 荧光定量法与高通量测序结合（qPCR-AMP）、 流式细胞仪与高通量测序结合（FCM-AMP）等。然而，这些定量方法的普遍适用性和精确度尚不清楚。
研究团队利用采自黑龙江海伦和海南三亚的两类差异较大的土壤样品，评估了土壤微生物研究中最常用的两种绝对定量方法内参法和荧光定量法与高通量测序结合的方法。结果表明：内参法在准确性、稳定性和工作量等方面没有显示出任何优势。相比之下，更常用的荧光定量法与高通量测序结合的方法对探究环境扰动对土壤微生物动力学的影响提供了有价值的见解。考虑其稳定性和技术可行性，荧光定量法与高通量测序结合方法可广泛应用于土壤微生物群落的定量研究。
【4】Science of the Total Environment;青藏高原多年冻土区高寒植被土壤微生物群落分布和构建过程研究获进展
2022-05-14报道，中国科学院西北生态环境资源研究院在青藏高原东北缘疏勒河源多年冻土区高寒生态系统长期定位观测场开展研究，分析不同类型高寒植被土壤微生物的群落特征，发现高寒草地逆向演替（由ASM、AM到AS）过程中，植物生物量是驱动微生物多样性和群落构建过程的关键因子。
图1.土壤微生物群落β多样性分解及其在不同植被类型中的差异
微生物β多样性以物种替换为主（图1a），群落构建以随机组装过程为主导（图2b），二者均在植被逆向演替过程中逐渐增加（图1b、2a）。植被逆向演替加强了微生物群落与环境因子之间的联系，提升了微生物群落对环境扰动的敏感性，并降低了微生物群落抵抗自身组成不变的能力（抵抗力）。此外，冰缘植被（GFV）土壤微生物群落对环境变化的敏感性较低、抵抗力较强，可能拥有高寒生态系统中最稳定的微生物群落。
图2.不同植被类型中微生物群落构建组分及其与植物生物量差异的关系
该研究首次综合应用β多样性分解和群落构建过程分析方法，系统探究了青藏高原多年冻土区高寒草地逆向演替过程中土壤微生物群落多样性的维持机制，加强了对微生物多样性发生和调节、植被和微生物群落之间关系的理解，有助于预测微生物群落对高寒生态系统变化的响应动态。
近日，相关研究成果以Soil microbial distribution and assembly are related to vegetation biomass in the alpine permafrost regions of the Qinghai-Tibet Plateau为题，在线发表在Science of the Total Environment上。研究工作得到第二次青藏高原综合科学考察研究、国家自然科学基金等的支持。
【5】作物秸秆氮影响土壤有机碳积累的微生物学机制研究中获进展
2022-04-07报道，目前，对秸秆碳氮影响土壤有机碳固存与稳定性的微生物机理研究主要应用高通量测序技术，探究微生物群落结构与土壤碳氮循环的相关性。基于宏基因组学技术解析秸秆碳氮向土壤有机碳库转化过程中碳氮代谢功能特征的研究仍然较少。
为此，中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组运用微宇宙培养试验结合宏基因组测序技术，利用15N标记的大豆和玉米秸秆，示踪秸秆氮向黑土碳库的转化情况，阐明秸秆降解下介导碳氮循环的微生物作用机制。结果表明，秸秆添加条件下，黑土微生物氮矿化与碳降解功能协同作用，促进颗粒有机碳库的碳积累（图1），并维持有机碳的稳定性（图2）。氮矿化基因与颗粒态有机碳和矿物结合态有机碳库中碳氮累积量以及有机碳中植物来源脂肪族碳关系紧密（图3）。该研究在黑土区作物秸秆还田提升土壤有机碳库稳定的微生物生态机制方面取得了进展。
图1.培养250天后土壤有机质组分中碳（a）、氮（b）以及秸秆来源氮（c）含量
相关研究成果发表在npj Biofilms and Microbiomes上。研究工作得到国家自然科学基金面上项目和中科院战略性先导科技专项的支持。
【6】Science：微生物单细胞时代正式开启：微生物高通量单细胞基因组学
2022-06-08报道，近期，哈佛大学和麻省理工学院的研究团队在微生物群落研究方法学上取得重要突破，发明了微生物高通量单细胞基因组学技术——Microbe-seq。相关成果以研究长文（Research Article）的形式于6月3日在Science上以High-throughput, single-microbe genomics with strain resolution, applied to a human gut microbiome为题发表。
Microbe-seq技术集成了多种液滴微流控操作技术和定制开发的生物信息学分析手段，不需要培养即可从复杂微生物群落中获取成千上万个单细胞微生物的基因组信息，并组装出高质量的菌株水平基因组，从而能够在不损失分辨率或广泛物种适用性的基础上探究微生物群落的基因组。该方法应用面广泛，可用于具有复杂微生物群落的样本，如粪便、土壤和海洋等，在微生态研究中具有极大的市场应用潜力。
原文：doi.org/10.1126/science.abm1483
【7】祝贺中科院微生物所黄力研究员当选美国微生物科学院院士
2022-02-18报道，美国微生物科学院（American Academy of Microbiology，AAM）正式公布2022年度美国微生物科学院院士（Fellow）入选名单，中国科学院微生物研究所黄力研究员当选。
黄力研究员是中国科学院微生物研究所第二位获此殊荣的科学家。高福院士曾于2015年当选。两位科学家先后当选，充分显示了中国科学院微生物研究所在国际上的重要影响力。
黄力，中国科学院微生物研究所研究员，博士生导师。1999年国家杰出青年基金获得者。曾任微生物资源前期开发国家重点实验室主任、微生物所常务副所长、所长、中国微生物学会副理事长。任《mLife》共同主编、《Extremophiles》执行编辑（Managing Editor）、《微生物学报》副主编、《SCIENCE CHINA Life Sciences》编委。长期从事古菌遗传机制及其环境适应机理、古菌病毒以及水圈环境微生物学研究。
【8】科研人员揭示生物结皮微生物群落碳循环机制
2022-06-06报道，中国科学院水生生物研究所研究员胡春香团队在前期多年研究工作基础上，对典型野外样地不同演替阶段的生物结皮（藻结皮、蓝藻地衣结皮、绿藻地衣结皮和藓结皮）开展了连续四年五批次的采样调查工作，运用多种宏基因组技术及大数据模型分析手段，结合生理层面的酶活性测定和环境因子关联分析，揭示了生物结皮群落微生物碳循环格局及其互作和调节机理。相关研究成果以Carbon cycle in the microbial ecosystems of biological soil crusts为题，近日在线发表于Soil Biology and Biochemistry。
图1 生物结皮群落中碳循环概念模型
宏基因组的测序分析结果表明，耗能的光能驱动的无机碳（Inorganic Carbon，IC）固定基因丰度较低，经济的化能驱动的高分子有机碳降解、发酵、需氧呼吸和CO氧化基因较丰富。在有机碳的分解过程中，初期淀粉/糖原和纤维素的降解相关基因丰度更高，末期发酵相关基因的丰度更高。结合绝对定量的GeoChip分析及关键酶活性测定，研究发现在演替过程中无机碳固定、发酵、CH4氧化、淀粉/糖原和肽聚糖降解过程均呈下降趋势，多个高效的IC固定途径及CO氧化和大多类型的有机碳降解呈增加趋势。
共现分析进一步表明，生物结皮生态系统中的碳循环由类似于初级生产的同化模块和类似于次级生产的异化模块组成，随演替、循环途径与微生物群落组成之间的关系发生着动态变化，两个模块通过CBB循环、乙醇和丙酸发酵连接在一起，并被干旱度和盐度平衡。该研究结果深化了人们对生物结皮演替过程中碳循环途径和调控机制的理解，并为深入揭示气候变化条件下全球干旱区碳库平衡动态提供了研究基础。
【9】Lancet子刊发表关于粪便微生物移植的特邀综述
2022-03-23报道，近日，中山大学附属第六医院受国际著名期刊The Lancet子刊The Lancet Gastroenterology & Hepatology 邀稿，以医院为第一单位在线发表题为“Roles of the gut virome and mycobiome in faecal microbiota transplantation”的综述，详细阐述了肠道病毒和真菌在粪便微生物移植（FMT）治疗不同疾病中的作用。中山大学附属第六医院左涛研究员、兰平教授和吴小剑主任医师为共同通讯作者，悉尼大学Siu Lam、中山大学附属第六医院白小武博士、爱尔兰国立科克大学Andrey Shkoporov和哥伦比亚大学Heekuk Park为共同作者。
左涛介绍到，人体多种疾病如艰难梭菌感染、肥胖症、2 型糖尿病、坏死性小肠结肠炎、炎症性肠病等，其实与肠道微生态紊乱密切相关。前文所提到的FMT就是一种通过移植健康供体的粪便微生物制备液至患者肠道中，以达到重置患者肠道微生态、治疗疾病的目的。肠道微生态中，除了细菌之外，还含有大量的病毒和真菌，也分别被统称为肠道病毒群和真菌群。病毒组和真菌组对 FMT 治疗成功的影响直到最近才得到重视。
近年来的研究发现，肠道病毒群和真菌群在人体健康和疾病的发生发展中扮演了重要角色，尤其是在FMT微生物移植定植和疗效中其作用日益明显。该综述详细阐述了肠道病毒群和真菌群在FMT治疗不同疾病中扮演的不同角色。同时，文章也阐述了病毒群和真菌群的移植对宿主带来利弊不同的影响。其中，噬菌体（细菌病毒）的移植和念珠菌（真菌）的移植在FMT治疗中扮演了尤其重要的角色。
【10】PNAS:生物多界互作控制地下文化遗址微生物组研究取得进展
2022-04-07报道，中国科学院南京土壤所研究员冯有智研究团队联合敦煌研究院、东南大学、南京林业大学、南京工业大学、南京农业大学、西班牙塞维利亚自然资源和农业生物研究所等，结合野外调查、扩增子和宏基因组测序、菌株生理生化鉴定和生物交互实验，从微生物生态和生理两个层面系统阐释了打虎亭汉墓微生物组形成和爆发的生态学过程（图2）。
图2.打虎亭汉墓微生物组形成和爆发的生态学过程示意图
研究发现，打虎亭汉墓内微生物组以放线菌为主的细菌和以弹尾跳虫为主的原生动物组成。打虎亭汉墓内微生物物种源自于周边环境，即周边环境提供了该墓葬微生物的种库。放线菌释放信号分子——土臭素，吸引原生动物—弹尾跳虫来捕食，以增加自身的扩散能力；作为回报，放线菌产生的抗生素可以提高弹尾跳虫对病原微生物的抵抗力，形成了物种互利共生。
由于弹尾跳虫喜好温湿度稳定的黑暗环境，当地下墓室被打开后，一开始少量弹尾跳虫会携带放线菌进入到地下墓室内。由于放线菌具有较强的底物代谢能力，它们可以通过“掠夺型竞争”过程（或适度差异）更易于其他细菌定殖在墓室墙壁和壁画上；同时，由于放线菌能够产生多种抗菌类物质，它们能够通过“干扰型竞争”过程，抑制其他细菌生长。放线菌一旦在地下墓室内定殖后，会产生释放更多的土臭素，进一步吸引弹尾跳虫携带更多的放线菌进入，最终导致打虎亭汉墓微生物的爆发。
研究表明，微生物物种多界互利和竞争等生态过程的协同是地下文化遗址（墓葬、洞窟等）微生物组来源、迁入、定殖和爆发的重要途径之一。该研究是迄今国内外首次将生态学理论应用于文保微生物的研究，结合前人在微生物学和环境微生物学上的认知和实践，将会更好的帮助科学家了解、制定和实施有效的文保措施。
研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。研究工作得到国家重点研发计划“墓葬壁画原位保护关键技术研究”项目与敦煌研究院的支持。
【11】Applied Microbiology and Biotechnology:设计新型引物助力海沟微生物多样性检测
2022-04-05报道，近日，上海交通大学海洋学院张宇研究员指导的博士生杨娜在环境微生物领域经典期刊《Applied Microbiology and Biotechnology》上发表题为“Novel primers for 16S rRNA gene-based archaeal and bacterial community analysis in oceanic trench sediments”的研究论文。杨娜为本文第一作者，张宇研究员为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海交通大学“深蓝计划”基金等项目资助，得到深部生命国际研究中心（IC-DLI）团队的支持。
本研究中，基于克隆文库技术，研究者利用来自马里亚纳海沟的沉积物样本，分别构建了396条古菌和1868条细菌16S rRNA基因全长序列。并进一步根据PDFaith和MNTD系统发育分析证明了V3–V4区域为海沟沉积物微生物群落中最具代表性的16S rRNA基因高变区。为了更好地覆盖海沟微生物群落的多样性信息，研究者还从海沟沉积物样本的宏基因组数据集中提取了34条古菌和986条细菌全长16S rRNA基因序列。基于以上两部分数据集，研究者设计了2对古菌特异性引物（A306F/A713R和A350F/A751R）和1对细菌特异性引物（B344F/B749R），并在来源于马里亚纳海沟的30个沉积物样本中验证了三对新设计引物的有效性、特异性、覆盖度以及潜在的应用价值。
研究发现，与通用引物相比，在30个马里亚纳海沟沉积物中，有46个科水平的细菌仅可被新设计的引物B344F/B749R检测到；有8个科水平的古菌仅可被新设计的引物A306F/A713R检测到。此外，A306F/A713R在所有测试的古菌引物中覆盖了最多的ASVs（扩增子序列变体），表明其在海沟沉积物中可以探测到更多的古菌物种，而这些古菌物种在基于通用引物的检测中很容易被忽视。本研究为进一步探索在高静水压力下海沟沉积物生态系统中独特的微生物多样性和生态功能提供新手段。
