中国科学院机构知识库网格
Chinese Academy of Sciences Institutional Repositories Grid
我国北方农牧交错带AM真菌多样性及其驱动因子研究

文献类型:学位论文

作者向丹
学位类别博士
答辩日期2014-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师陈保冬
关键词北方农牧交错带 土地利用方式 菌根真菌 生物多样性 驱动因子 454高通量测序
其他题名Biodiversity of AM fungi in the farming-pastoral ecotone of northern China and the driving factors
学位专业生态学
中文摘要      在我国北方农牧交错生态脆弱区,由于自然环境变化和人类过度开发利用自然资源而导致生态环境恶化,生物多样性和土地生产力急剧下降。研究该区域生物多样性变化及其驱动因子,对于保护和合理利用本地生物资源,实现脆弱生态系统生态重建具有重要意义。基于AM真菌在生态系统结构和功能稳定中的关键作用,本研究运用分子生态学和生物地理学的理论和方法研究农牧交错带中关键土壤功能微生物丛枝菌根(AM)真菌的生物多样性,综合比较不同土地利用方式下AM真菌群落组成和多样性变化;通过多元分析和结构方程模型等定量解析环境因子对AM真菌生物多样性变化的相对作用大小,确定多样性变化的主控因子。论文
的主要研究内容与成果如下:
      1)农牧交错带草地生态系统中AM真菌多样性、群落结构及其驱动因子
      AM真菌在自然生态系统中的分布会受到各种环境因子的影响,但是因为传统研究方法,及研究区域的限制,其大区域尺度的分布规律及影响因子仍然不明确。本研究以我国北方农牧交错带为研究区域,综合考虑土壤、气候、植物、空间距离等可能对AM真菌产生影响的环境因子,并通过多元分析定量解析其相对作用大小,以揭示农牧交错带自然生态系统中AM真菌的分布规律及驱动因子。
      研究结果表明,土壤结构及温度是影响北方农牧交错带草地生态系统中  AM真菌的主要环境因子,其中土壤结构是 AM真菌物种多样性的主驱动因子。AM真菌多样性与土壤粘粒、粉粒含量呈显著正相关关系,而与土壤沙粒含量呈显著负相关,说明该区域严重的土壤沙化已经成为影响 AM真菌多样性的重要因素。年均降水和土壤养分含量是植物多样性的重要驱动因子,但植物多样性与 AM真菌物种多样性之间没有相关性。
      AM真菌群落结构的变化主要受到土壤因子的驱动,同时植物群落结构对AM真菌群落结构也产生显著影响,但空间地理距离及气候因子对  AM真菌群落的变化没有影响。在所有土壤因子中,土壤粉粒含量是 AM真菌群落结构的主驱动因子。植物群落结构对  AM真菌群落多样性的影响受制于土壤因子的作用。AM真菌的系统发育多样性同群落结构一样,主要受到土壤因子的驱动。与   AM真菌物种群落结构不同的是,AM真菌系统发育   Beta多样性没有受到植物群落的影响。在我们所考虑的所有土壤因子中,土壤有效磷是决定 AM真菌系统发育多样性的主驱动因子,其有效磷含量对系统发育  Beta多样性的影响为正向选择作用,即土壤中有效磷含量越高,AM真菌系统发育多样性越高。同样,空间距离阻隔对 AM真菌系统发育多样性没有产生影响。
      2)土地利用方式对菌根真菌多样性的影响
      草地开垦为农田是我国北方农牧交错带土壤退化的一个重要原因。草地变为农田会明显改变地上部植物群落和土壤理化性质,但对土壤功能微生物类群的影响目前还少见研究报道。我们第一次在区域尺度上比较研究了农田和草地两种不同土地利用方式对AM真菌多样性的影响,我们在农牧交错带选取50个样点,每个样点采取农田和草地的成对数据,通过454高通量测序方法检测土壤中AM真菌的物种组成,并结合环境因子探讨农田和草地间AM真菌物种多样性,丰度及群落结构差异,并探明其主驱动因子。
     在北方农牧交错带总共发现 11个属101个OTU的AM真菌,农田和草地的优势属存在着明显差异。农田中 Glomus和Septoglomus为优势属,它们在农田中的相对丰度分别为 35.60%和23.61%。而在草地中只有 Glomus为优势属(69.13%)。Glomus属在草地中的比例显著高于农田,而Funneliformis、Septoglomus和Claroideoglomus这3个属在农田中的相对丰度显著高于草地。这是首次基于AM真菌新的分类系统,在区域尺度下明确证明农田和草地间属水平上的差异。在OTU的水平发现19个敏感型AM真菌OTU在草地中显著高于农田,11个抗干扰型AM真菌OTU在农田中显著高于草地。这为以后应用 AM真菌进行草地生态恢复或提高农田生产力提供了有价值的信息。
      在北方农牧交错带草地开垦为农田显著降低了AM真菌的多样性、菌丝密度,并且明显改变了AM真菌群落结构。土地利用方式改变主要是通过提高土壤有效磷含量及改变土壤结构间接影响AM真菌多样性、菌丝密度及群落结构,直接干扰作用(如耕作等土壤扰动)则没有明显影响。在所有的因子中,土壤有效磷是驱动农田草地间AM真菌物中多样性和菌丝密度产生差异的主驱动因子。而土壤结构是影响AM真菌群落分布的主因子。
英文摘要      In   the  farming-pastoral   ecotone   of  northern   China,   biodiversity  and   land
productivity  have been  decreasing  dramatically  due  to environmental  changes  and over-exploitation  of natural  resources.  For  protection and  sustainable  utilization  of local bio-resources,  and  also for  ecological restoration  of  the degraded  ecosystems,it’s urgent  to reveal  the regional biodiversity  and uncover  the driving factors.  Based on  the  key  roles  of  soil  communities  in  stabilization  of  ecosystem  structure  and function, in the  present study we investigated  the diversity of arbuscular  mycorrhizal fungi  (AMF),   a  representative  of  functional   soil  microbial  communities,   in  the ecotone,  by means  of molecular  ecology  and biogeography.  The  variation in  AMF diversity  under  different   land  use  practices   has  been  described.   Meanwhile,  by multivariate statistics,  such as Mantel  and partial Mantel  test and Structure  Equation Modeling  (SEM),   relative  importance   of  different   environmental  factors  in   the changes of AMF diversity, and the controlling predictors, has been revealed. The main findings of the study are as follows:
      1)AM fungal diversity and their driving factors in grassland ecosystem.
      At present,  the knowledge  of AMF  distribution pattern  at regional scale  is still quite   limited.   Several  factors   have   been   identified   that   may   influence  AMF distribution pattern, but to date most studies have been restricted  to local geographical scales, or to a single  soil type, and typically only communities inside  plant roots have been analyzed.  Conversely, few studies  have simultaneously examined  the effects  of muliple environmental factors on AM fungal occurance. Therefore, it is not yet known how these  AMF communities  assembled in  natural ecosystem.  Here, we  investigate AMF  distribution at  the  regional scale  in  the farming-pastoral  ecotone  of  northern China by using 454 pyrosequencing method. Meanwhile, by multivariate statistics, we quantified the relative  importance of the  potential driving forces  including biotic and abiotic factors for AMF community.
      The  results   showed  that  soil   structure  and  annual  temperature   were  major predictors  of AMF  diversity  (richness),  and soil  structure  was the  most  prominant predictor. More  specifically, AMF  diversity  was positively  correlated with  soil clay and silt content,  but negatively correlated  with soil sand content,  suggesting that soil desertification has become  the main reason of  AMF richness loss in  this fragile area. Average annual precipitation  and soil nutrient  content were important  driving factors of plant diversity, but there was no correlation between plant and AMF diversity.
      AMF  community composition  was  strongly  influenced  by soil  properties  and plant community, but not  by geographical distance or climatic factors. Among  all soil factors, soil  silt content  was  the most  important predictor  for AMF  community. By using partial Mantel test, we found no  effect of plant community on AMF community when  soil  properties  were  calculated  as  the  covariate  matrix,  suggesting  that  the correlation  between oboveground  vegetation  and  AM fungi  was  dertimined by  the interactions between plant and soil properties.
      Similar  with AMF  community composition,  the  phylogenetic beta  diversity of AMF  was   mainly  determined   by  soil   properties  and   has   no  relationship   with geographical  distance,   climatic  factors,   or  plant   community.  The   soil  available phosphorus was  positively  correlated with  AMF  phylogenetic beta  diversity, which suggested  that   enhanced  soil  available   phosphorus  would   promote  phylogenetic evolution of AMF.
      2)The impact of land use on AM fungal diversity.
      Land  use comversion  from  grassland  to farmland  has  been documented  as  a main  cause  of  grassland  degradation  in  the  farming-pastoral  ecotone  of  northern China.  Land  use  change  has   lead  to  significantly  changes  in  aboveground  plant community and soil properties, but  its influence on soil microbial communities is still poorly  understood. Here,  we  studied 50  paired  samples  of grassland  and  farmland covering  a  large   area  in  northern   China  using  454  pyrosequencing   to  compare difference of AMF diversity  and community composition between these  two land use types. At  the same  time,  we used  the multivariate  statistics to  address what  are the factors that potentially best explain this influence.
      Totally we detected 101 OTUs in  this area, which belonged to 11 genus of  AMF.The  dominant  genera  in   grassland  and  farmland  were  found   to  be  significantly different:  in  grassland  Glomus  was  on  average   the  most  abundant  genus  with  a proportion up  to  69.13%, whereas  in farmland  both Glomus  and  Septoglomus  were dominant genera with the proportions of 35.60% and 23.61% respectively. In addition,at genus level more sequences were obtained belonging  to Glomus in grassland, while Funneliformis, Septoglomus and Claroideoglomus were proportionally more abundant in farmlands.  This  is the  first time  we clearly  demonstrated  the AMF  difference in genus level between farmland and grassland. Moreover, 30 OTUs of AMF found to be sigificant  ―indicator  species‖  of grasslands  or  farmlands.  Of  these,  19  were  more abundant  in  grasslands   than  in  farmland  and  11   OTUs  were  significantly  more abundant in farmlands.  These foundings provided basic  information of AMF taxa  for their future application both in grassland restoration and farming production.
      Land  use  conversion  from  grassland  to  farmland  significantly  reduced  AMF richness and extraradical hyphal  length density, and these land use  types also differed significantly in  AMF community composition.  SEM showed that  effects of  land use on  AMF  richness   and  abundance  in   soil  were  primarily  mediated   by  available phosphorus and soil structural quality. Soil texture was the strongest predictor of AMF community  composition. Soil  carbon,  nitrogen and  soil  pH  were also  significantly correlated with  AMF community composition,  indicating that these  abiotic variables may be responsible for some of the community composition differences among sites.
公开日期2015-07-07
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/15726]  
专题生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
向丹. 我国北方农牧交错带AM真菌多样性及其驱动因子研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.

入库方式: OAI收割

来源:生态环境研究中心

浏览0
下载0
收藏0
其他版本

除非特别说明,本系统中所有内容都受版权保护,并保留所有权利。