微生物群落组成与多样性的空间分布格局及对环境因子梯度变化的响应研究，是揭示地球上生物多样性产生和维持机制的必要前提。近年来，土壤微生物的分布格局及其驱动机制研究成为国际上研究的重点，排除了微生物随机分布格局的假说，揭示出微生物群落存在明显的地理分布特征。

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在前期对我国东北典型黑土农田样带细菌、真菌和酸杆菌地理分布格局研究的基础上，利用实时定量qPCR和高通量测序技术，进一步揭示了黑土农田土壤古菌（Archaea）和参与氨氧化过程的氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）种群、丰度和多样性分布特征及其驱动机制。

研究发现，亚硝化球菌（Nitrososphaera）和亚硝化螺菌（Nitrosospira）分别是黑土区农田土壤中参与氨氧化过程的主要AOA和AOB类群（图1）。AOA的amoA基因丰度与土壤有机质含量显著正相关，但与土壤pH不存在相关关系。与之相反AOB的amoA基因丰度与土壤pH显著正相关，而与有机质含量不存在相关关系，说明AOA群落与AOB群落存在不一致的生理特征。AOA丰度与有机质呈显著正相关的结果与以往关于AOA主要分布在贫营养环境的报道相悖，说明黑土区一些与碳源利用相关的自养或者混合营养型的AOA类群数量会随有机质含量的增加而呈现增加的趋势。群落结构分析发现，AOA较AOB在黑土带上表现出更加明显地理分布格局，土壤pH是驱动两类氨氧化微生物空间分布的最主要的土壤因子。尽管黑土中AOA的amoA基因丰度明显地高于AOB，然而相关分析显示，AOB较AOA与土壤的潜在硝化速率关系密切，表明AOB可能是黑土氨氧化的最主要贡献者。

此外，针对古菌群落的研究发现，在黑土农田中只检测到三个门古菌，其中奇古菌（Thaumarchaeota）数量最多，其次是广古菌（Euryarchaeota），而泉古菌（Crenarchaeota）占比非常小（图2）。奇古菌中Thaumarchaeota group 1.1b是最主要分布类群，相对丰度平均为87.23%。鉴于Thaumarchaeotagroup 1.1b隶属于Nitrososphaera类群，说明黑土农田土壤中的大部分古菌均参与了氨氧化过程。发现古菌与黑土细菌群落分布规律相似，在明显的空间分布格局，揭示出土壤pH是驱动古菌群落分布的最主要土壤因子。

该研究成果于2018年和2019年先后发表在生物学期刊Frontiers in Microbiology上。研究得到中科院战略性先导专项和国家自然科学基金项目的资助。

文章链接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2019.00023/full

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2018.00171/full

　　  图1 东北黑土农田土壤氨氧化古菌AOA（A）和氨氧化细菌AOB（B）群落相对丰度按照土壤pH的分布图谱 

　　              图2 东北黑土农田土壤古菌群落结构组成的系统进化分析图谱