增溫與降水變化對青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落豐度和群落結(jié)構(gòu)的影響

潘曉悅,王 曉,郭光霞,孔維棟

1 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,徐州 221116 2 中國科學(xué)院青藏高原研究所,高寒生態(tài)學(xué)與生物多樣性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008

增溫與降水變化對青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落豐度和群落結(jié)構(gòu)的影響

潘曉悅1,2,王 曉1,郭光霞2,3,孔維棟2,*

1 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,徐州 221116 2 中國科學(xué)院青藏高原研究所,高寒生態(tài)學(xué)與生物多樣性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 3 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008

全球變化已成為國際研究熱點(diǎn)。青藏高原屬典型生態(tài)脆弱帶,該地區(qū)升溫幅度更加明顯,已導(dǎo)致大量冰川融化和明顯降水變化,進(jìn)而使該地區(qū)水循環(huán)和土壤水分發(fā)生巨大變化。溫度和降水的變化可能會引起土壤微生物豐度和群落結(jié)構(gòu)的改變,進(jìn)而影響生物地球化學(xué)循環(huán)。但青藏高原地區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能對全球變化響應(yīng)的研究較少。研究了模擬增溫和降水變化對青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落豐度和群落結(jié)構(gòu)的影響。研究表明,增溫1、2、4℃對nirS基因豐度影響不顯著；增加降水100%時(shí),增溫4℃處理顯著增加nirS基因豐度(P<0.05)。在未升溫與升溫2℃背景下增加和減少降水對nirS基因豐度的影響不顯著。增溫和增減降水均顯著影響nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu),且兩個因子具有一定的交互作用。CCA結(jié)果顯示,增溫和降水的共同解釋變量中,增溫對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)變化的影響達(dá)極顯著(P<0.01),解釋了其中的54.2%,降水變化解釋了45.5%(P<0.05)。

nirS；基因豐度；群落結(jié)構(gòu)；氣候變化；青藏高原

氣候變化已成為典型的全球尺度的環(huán)境問題。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報(bào)告,1901—2012年間,全球平均表面溫度上升0.89℃,報(bào)告預(yù)測到2100年全球氣溫將升高2—4.8℃,海平面上升26—81cm,冰川和冰原也以更快的速度融化,到2050年北極地區(qū)將成為幾近無冰區(qū)[1]。青藏高原地區(qū)平均氣溫在1961—2007年間每10年上升0.36℃[2],約為全球氣溫增幅的3倍(每10年上升溫度0.12℃,約為1951—2012年間)[1]。氣候變暖已經(jīng)導(dǎo)致青藏高原地區(qū)冰川融化速度加快,且該地區(qū)降水具有增加的趨勢[3],這些導(dǎo)致該地區(qū)水循環(huán)和土壤水分顯著變化[4-5]。

目前,青藏高原地區(qū)功能微生物群落的研究還處于初步階段,對升溫和降水變化的響應(yīng)研究還比較少。本文以青藏高原那曲地區(qū)高寒草甸土壤為研究對象,采用微生物分子生態(tài)學(xué)研究方法研究了土壤增溫和降水變化下,青藏高原高寒草甸土壤中nirS反硝化菌群落豐度和群落結(jié)構(gòu)的變化,為研究高寒生態(tài)系統(tǒng)反硝化微生物對全球變暖的響應(yīng)以及全球變暖情況下N2O排放提供理論依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

增溫試驗(yàn)平臺選擇在青藏高原那曲地區(qū)現(xiàn)代化草地畜牧業(yè)科技示范園區(qū)內(nèi)的典型高山嵩草草甸。那曲地區(qū)位于西藏自治區(qū)北部(29°55′—36°30′N,83°55′—95°05′E)。平均海拔4500m左右,多雪峰和高山,東部是高山峽谷,中西部為高原湖盆。該地區(qū)屬于青藏高寒氣候區(qū),干燥寒冷,年平均氣溫-2.9—3.4℃,最冷月為1月,月平均氣溫-14.9—7.4℃；最熱月為7月,月平均氣溫8.7—12.2℃,年平均降水量在298.6—708.4mm,年內(nèi)降雨量的80%以上都集中在5—9月[17]。那曲地區(qū)植被類型從東南向西北依次為高山疏林灌叢草甸、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠草原四大基帶及相鄰的過度亞帶,分布與生物氣候帶相適應(yīng)[18],該地區(qū)主要草地土壤類型有高山草甸土、亞高山草甸土、高山草原土、高山荒漠草原土等[19]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺于2014年7月份開始運(yùn)行。利用紅外照射的自動控制系統(tǒng)準(zhǔn)確控制增溫,設(shè)置4個增溫梯度：0(對照)、1.0、2.0、4.0℃,每個增溫實(shí)驗(yàn)小區(qū)為3m直徑的圓形,利用“巢式”設(shè)計(jì),在每一種增溫幅度下,利用PVC板(33cm深)將該小區(qū)隔成2個分區(qū),一個分區(qū)不增加降水(對照),另一個分區(qū)增加降水100%,共8個處理。針對學(xué)者提出的“2℃閾值”,在增溫0、2℃條件下,設(shè)置減水50%的試驗(yàn),減水小區(qū)占整個直徑為3m的圓形。每個減水小區(qū),10個透明的聚碳酸樹脂通道(投影面積占整個小區(qū)面積的50%)以15°角傾斜固定在距地面160cm處,截留的雨水通過管道流入白色聚乙烯塑料雨水采集器。每次降雨,將減水小區(qū)采集器的雨水均勻添加到增水小區(qū),達(dá)到增水100%。每個處理4個重復(fù)。在另外地方單獨(dú)放置白色聚乙烯塑料雨水采集器,采集降水,用于增水小區(qū)的增水。設(shè)有溫度探針,監(jiān)控溫度變化。

1.3 土壤采集

為研究nirS反硝化菌對短期增溫和降水變化的響應(yīng)。采樣時(shí)間為2014年10月份。在每個實(shí)驗(yàn)小區(qū)內(nèi),隨機(jī)選擇采樣點(diǎn),使用土鉆采集5cm深的土壤樣品,采集后去除植物根系等雜質(zhì),過篩(2mm)混勻,用于分子生物學(xué)分析的樣品放入干冰盒中保存,運(yùn)回拉薩實(shí)驗(yàn)室后轉(zhuǎn)入-80℃冰箱保存,之后放于冰盒中空運(yùn)至北京實(shí)驗(yàn)室。

1.4 土壤DNA的提取

DNA提取采用Powersoil? DNA Isolation Kit(MOBIO,USA),使用0.5g土壤,方法完全參照制造商說明書。提取結(jié)束后取1 μL的DNA溶液于NanoDrop2000核酸定量儀(Thermo Scientific)中測定其DNA含量,使用前貯存于-20℃。

1.5 qPCR

nirS基因豐度采用LightCycler 480 (Roche)實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀進(jìn)行定量試驗(yàn),擴(kuò)增引物[20]為nirS-cd3aF(5′-GTSAACGTSAAGGARACSGG),nirS-R3cd(5′-GASTTCGGRTGSGTCTTGA)(由生工生物工程(上海)股份有限公司合成),酶使用SYBR green kit(TaKaRa),反應(yīng)體系10μL,包括：3μL緩沖液,5μL的酶,引物各0.5μL,1μL DNA模板。反應(yīng)程序?yàn)椋?4℃預(yù)變性2min,94℃變性30s,58℃復(fù)性1min,72℃延伸30s,進(jìn)行10個循環(huán),從第二次循環(huán)開始復(fù)性溫度依次降0.5℃,94℃變性30s,53℃復(fù)性1min,72℃延伸30s,進(jìn)行25個循環(huán),最后72℃延伸10min。本次定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果擴(kuò)增效率>99%,標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率約為-3.3。

1.6 末端限制性片段長度多態(tài)性分析(T-RFLP)

nirS基因PCR擴(kuò)增引物序列與定量PCR相同,引物nirS-cd3aF5′端用FAM標(biāo)記。擴(kuò)增儀器使用ABI Veriti- 96梯度PCR儀(Applied Biosystems)。PCR反應(yīng)體系25μL,包括：9.5μL緩沖液,12.5μL的2×EasyTaq PCR SuperMix(全式金),引物各1μL,1 μL DNA模板。反應(yīng)程序與定量PCR相同。由于末端限制性片段多態(tài)性分析要求PCR純化產(chǎn)物濃度較高,因此采用切膠純化的方法去除非特異性帶的影響,膠回收使用AxyPrepTMDNA Gel Extraction Kit(Axygen),然后,采用內(nèi)切酶HhaI(TaKaRa)對純化產(chǎn)物進(jìn)行酶切,PCR純化產(chǎn)物及酶混勻離心后在37℃條件下消化3h,而后65℃變性20min。純化后的酶切產(chǎn)物送至中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行基因掃描。不加水背景下增溫0、1℃的樣品,有一重復(fù)沒有收集到足量的nirS基因,只有3個重復(fù)。

1.7 數(shù)據(jù)分析

定量PCR數(shù)據(jù)分析采用 SPSS Statistics 23軟件中的one-way ANOVA 及LSD方法比較不同處理間的差異性,并用Excel 2010作圖。群落結(jié)構(gòu)采用T-RFLP和Canoco 5軟件中的主成分(principal component analysis, PCA)、典型相關(guān)分析(canonical correlation analysis, CCA)方法,采用PCA分析群落結(jié)構(gòu)受短期增溫或降水變化單一因素影響的分布規(guī)律,采用CCA分析短期增溫和降水變化對群落結(jié)構(gòu)綜合影響的顯著性和貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 短期增溫對nirS基因豐度的影響

從圖1可以看出,在不加水情況下,與不升溫對照處理相比,增溫1、2、4℃對nirS基因豐度影響不大。增加降水100%情況下,增溫4℃顯著提高nirS基因豐度(P<0.05),其基因拷貝數(shù)約為其他3個升溫處理的2倍,增溫1、2℃與對照相比差異不顯著。這說明增加降水在一定程度上改變了nirS基因豐度對升溫的響應(yīng)。不同溫度梯度下,增加降水100%與不加水處理相比,基因豐度進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)結(jié)果都沒有顯著差異。

2.2 短期降水變化對nirS基因豐度的影響

由圖2可知,不增溫時(shí),nirS基因豐度隨降水的增加有逐漸上升的趨勢,增水100%處理的基因豐度顯著高于減水50%處理(P<0.05)。增溫2℃情況下,減水50%、對照、加水100%3個處理的基因豐度差別不大。土壤在不同的降水量情況下,增溫2℃與不增溫處理之間,差異不明顯。

圖1 nirS基因豐度隨土壤增溫的變化Fig.1 nirS gene abundance with soil temperature change

圖2 nirS基因豐度隨降水的變化Fig.2 nirS gene abundance with the precipitation change

2.3 短期增溫對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的影響

增溫對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的影響如圖3,在土壤不加水背景下,群落結(jié)構(gòu)隨溫度的變化和在土壤增加降水100%背景下,群落結(jié)構(gòu)隨溫度的變化。

由圖3的PCA結(jié)果可知,主成分1和主成分2(PCA1、PCA2)可解釋nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)總變異的43.67%。增溫1、2、4℃的3種處理均改變了nirS反硝化菌的群落結(jié)構(gòu)；增溫1℃處理的群落結(jié)構(gòu)變化與增溫2℃和增溫4℃有差異,增溫4℃與增溫2℃相比,在圖中的位置區(qū)分并不明顯。

從圖3可以看出,PCA1、PCA2共解釋了nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)總變異的63.81%。土壤增加降水100%背景下,增溫對nirS反硝化菌群的影響與降水不變背景不同。增水背景下,隨著增溫程度的增加,群落結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)生變化。其中增溫1℃到增溫2℃之間差異最明顯；與對照位置相比,增溫2℃與增溫4℃的距離比增溫1℃更加明顯,而增溫2℃與增溫4℃之間差異較小。降水變化,改變了nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)隨溫度變化的規(guī)律。

圖3 增溫對nirS群落結(jié)構(gòu)影響的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of T-RFLP profiles for nirS community structure in response to temperature increase T0, 增溫0℃increased 0℃; T1, 增溫1℃ increased 1℃; T2, 增溫2℃ increased 2℃; T4, 增溫4℃ increased 4℃; T0+W, 增溫0℃加水100% increased 0℃ and double precipitation; T1+W, 增溫1℃加水100% increased 1℃ and double precipitation; T2+W, 增溫2℃加水100% increased 2℃ and double precipitation; T4+W, 增溫4℃加水100% increased 4℃ and double precipitation

2.4 短期降水變化對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的影響

降水變化對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的影響如圖4,土壤不增溫背景下,群落結(jié)構(gòu)隨土壤增減水的變化,土壤增溫2℃背景下,群落結(jié)構(gòu)隨土壤增減水的變化。

結(jié)果表明,土壤不增溫背景下,PCA1和PCA2共解釋nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)總變異的65.04%。其中土壤減水50%在第一主軸的右側(cè)和第二主軸的下端,而不加水和增加降水100%在第一主軸的左側(cè)和第二主軸的上端。與對照相比,土壤減水50%時(shí)的群落結(jié)構(gòu)比增加降水100%變化更明顯,增加降水100%與對照相比群落結(jié)構(gòu)基本無差異。

結(jié)果說明,土壤增溫2℃背景下,PCA1和PCA2共解釋了nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)總變異的58.32%。減水50%時(shí)的群落結(jié)構(gòu)與對照相比產(chǎn)生了較明顯的變異,而增加降水100%與對照相比群落結(jié)構(gòu)基本無差異。減水50%分布在第一主軸的左側(cè)和第二主軸的上端,增加降水100%與不加水分布在第一主軸的右側(cè)和第二主軸的下端。

由圖4可得,土壤增溫2℃和不增溫相比,降水變化時(shí),nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的在圖中的位置和變化方向發(fā)生改變,說明土壤溫度增加影響了降水變化對群落結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律。

圖4 降水變化對nirS群落結(jié)構(gòu)影響的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of T-RFLP profiles for nirS community structure in response to precipitation changeT0, 增溫0℃ increased 0℃;T0-W, 增溫0℃減水50% increased 0℃ and half of the precipitation;T0+W, 增溫0℃加水100% increased 0℃ and double precipitation;T2, 增溫2℃ increased 2℃;T2-W, 增溫2℃減水50% increased 2℃ and half of the precipitation;T2+W, 增溫2℃加水100% increased 2℃ and double precipitation

2.5 短期增溫和降水變化對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的綜合影響

由圖5,PCA和CCA結(jié)果可得,nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的變化是由土壤溫度和降水聯(lián)合影響產(chǎn)生。CCA分析結(jié)果顯示增溫和降水變化對整個群落結(jié)構(gòu)的變化共解釋了19.9%,溫度解釋了其中的54.2%,對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的變化有極顯著影響(P<0.01)；水分貢獻(xiàn)了其中的45.5%,對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)的變化有顯著影響(P<0.05)。增溫和降水兩個環(huán)境因子交互作用對群落結(jié)構(gòu)的影響的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示,對nirS反硝化菌影響不顯著。

圖5 增溫和降水變化對nirS群落結(jié)構(gòu)影響的典范對應(yīng)分析Fig.5 Canonical correspondence analysis of T-RFLP profiles for nirS community structure in response to precipitation change and temperature increaseT0, 增溫0℃ increased 0℃;T0-W, 增溫0℃減水50% increased 0℃ and half of the precipitation;T0+W, 增溫0℃加水100% increased 0℃ and double precipitation;T2, 增溫2℃ increased 2℃;T2-W, 增溫2℃減水50% increased 2℃ and half of the precipitation;T2+W, 增溫2℃加水100% increased 2℃ and double precipitation

3 討論

本研究結(jié)果表明nirS基因豐度對短期增溫的響應(yīng)不敏感,只在增加降水100%背景下,增溫4℃,nirS基因豐度才顯著增加。nirS基因豐度對增溫響應(yīng)不敏感已有研究證明,如Jung等[21]研究表明,南極土壤增溫30d處理,nirS基因豐度變化不明顯,Zheng等[22]研究的青藏高原高寒草甸土壤結(jié)果也表明溫度的變化對nirS反硝化菌群落豐度的影響不顯著。也有可能的原因是,增溫處理時(shí)間較短,如Penton等[23]的研究結(jié)果顯示,在永久凍土增溫(1.5℃)1年后nirS基因豐度沒有明顯的改變,而高原土壤增溫(1.8—2.7℃)10年后,nirS豐度有明顯的增加。本研究出現(xiàn)的在增加降水100%和增溫4℃時(shí),nirS豐度有明顯的增加,其中的原因可能為：nirS基因微生物對于增溫2℃以內(nèi)有一定的適應(yīng)能力,如Zhang等[24]的研究,在增溫約1.79℃,持續(xù)5年后nirS基因豐度變化不明顯,而主要受到N的增加量和水分增加的影響,同時(shí),在降水減少或不變情況下,增溫后土壤濕度降低[25],不適宜nirS反硝化菌生存。

短期降水變化對nirS基因豐度的影響規(guī)律不明顯,只有在不增溫背景下,減水50%和加水100%之間nirS基因豐度有明顯的區(qū)別。這與之前的一些研究結(jié)果不同,Ding等[26]的研究結(jié)果表明,在不同降水區(qū)域,nirS基因豐度隨區(qū)域降水量的增加而明顯增加,Zhang等[24]的研究結(jié)果也顯示,經(jīng)過5a的增水處理,nirS基因豐度有明顯的增加。出現(xiàn)不同結(jié)果的原因可能是：本次實(shí)驗(yàn)降水變化處理的時(shí)間較短,短期內(nèi)nirS反硝化菌有一定的適應(yīng)能力；研究區(qū)域土壤性質(zhì)和環(huán)境的不同,反硝化菌還受到空間位置、有機(jī)碳、N的化合物的影響[27- 29],進(jìn)而導(dǎo)致nirS微生物響應(yīng)的結(jié)果不同,上述兩個研究土壤樣品均采于內(nèi)蒙古草原地區(qū)。本研究結(jié)果顯示不同增溫幅度下,nirS基因豐度隨降水變化規(guī)律的不同,Szukics等[30]的研究,nirK基因豐度在不同的溫度處理下,隨水分變化規(guī)律也不一致,可能因?yàn)樵鰷厥雇寥罎穸扔幸欢ǔ潭鹊慕档蚚25],導(dǎo)致增溫后變化規(guī)律受到影響。

與基因豐度不同,土壤短期增溫顯著影響青藏高原高寒草甸地區(qū)nirS反硝化菌的群落結(jié)構(gòu)。這與之前的研究結(jié)果相同,加拿大農(nóng)業(yè)土壤在-4℃,-1℃,+2℃,+5℃溫度梯度下,經(jīng)過120d后,不同的溫度處理之間nirS反硝化菌的群落結(jié)構(gòu)有明顯的區(qū)別[31]。Braker等[32]對nirS反硝化菌增溫培養(yǎng)3周后,群落多樣性和群落結(jié)構(gòu)都發(fā)生了明顯的變化。增溫對參與N循環(huán)的土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響已經(jīng)被很多研究證實(shí)。Szukics等[30]研究結(jié)果顯示,參與N循環(huán)的基因(nirK、amoA)群落結(jié)構(gòu)在增溫培養(yǎng)1周之后,產(chǎn)生了明顯的改變。Yergeau等[33]利用16S rRNA基因研究南極地區(qū)微生物對增溫的響應(yīng),增溫約3年結(jié)果顯示,增溫對功能菌尤其是參與N循環(huán)微生物有明顯的影響。

短期降水變化對青藏高原高寒草甸地區(qū)nirS反硝化菌的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響。這一結(jié)果與Jha等[34]對牧場土壤的研究結(jié)果相同,nirS反硝化菌與土壤含水量有顯著相關(guān)性,Hamonts等[35]對根際土壤的研究結(jié)果也表明,土壤水分明顯增加時(shí),nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯的改變。但是本研究從PCA結(jié)果看,不增溫和增溫2℃的結(jié)果相似,均是增加降水100%和對照相比群落結(jié)構(gòu)差異不明顯,減水50%分布與前兩者有較大的區(qū)別。可能原因有：1)土壤增水造成了土壤的厭氧環(huán)境[32],反硝化菌更適應(yīng)此環(huán)境[36-37],所以經(jīng)過3個月增水100%處理沒有發(fā)現(xiàn)較明顯的改變,而減水后的環(huán)境更不利于反硝化菌的生存,進(jìn)而導(dǎo)致明顯的變化；2)降水變化改變了土壤中N的無機(jī)化合物的數(shù)量和存在形式[24,29],本研究此假設(shè)還需進(jìn)一步研究考證。

短期增溫和降水變化對nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu)有顯著影響,并且兩因子之間具有一定的相互作用。其原因可能為溫度和降水的變化引起植物和土壤生物化學(xué)性質(zhì)的改變,進(jìn)而引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變異[38-39],所以不同的環(huán)境和試驗(yàn)地條件下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論會有一定的不同,與不同地點(diǎn)的植物、土壤特性、土壤營養(yǎng)元素和微生物特征等都有很大的關(guān)系。但是兩個因素對nirS基因豐度影響并不明顯,只有在降水和溫度適宜的條件下基因豐度才會有明顯的增加,這可能說明受到短期的增溫和降水變化的影響,nirS反硝化菌的優(yōu)勢菌種發(fā)生了改變[23],但所含nirS基因的量沒有明顯的變化。反硝化過程由narG或napA、nirK或nirS、norB或norZ和nosZ等多種基因編碼的酶共同完成,所以為研究溫度和降水變化對反硝化過程的影響,還需研究環(huán)境因子對其他反硝化基因的作用,以及進(jìn)一步研究長期增溫和降水變化對反硝化功能微生物的影響,進(jìn)而研究全球變暖對整個反硝化過程及N2O的排放的影響。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,土壤短期增溫和降水變化顯著影響青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落結(jié)構(gòu),降水變化調(diào)控增溫對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。短期增溫和降水變化對青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落豐度的影響較小,僅在增水100%背景下增溫4℃豐度顯著增加。

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EffectsofincreasedtemperatureandprecipitationchangeonnirSgeneabundanceandcommunitystructureinalpinemeadowsoilsontheQinghai-TibetPlateau

PAN Xiaoyue1,2,WANG Xiao1, GUO Guangxia2,3,KONG Weidong2,*

1SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China2KeyLaboratoryofAlpineEcologyandBiodiversity,InstituteofTibetanPlateauResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China3StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China

Globally, climate change has become one of the most studied research topics. The Qinghai-Tibet Plateau covers an area of 2.5 ×106km2, with grassland being the dominant landscape. The plateau represents a typical ecologically fragile zone and has been experiencing rapid warming and precipitation change. Climate change has resulted in massive glacier melting and hydrology cycling change on the plateau. The warming and altered precipitation could profoundly alter soil microbial abundances and community structure, and subsequently influence ecosystem functions and biogeochemical cycling of carbon and nitrogen. In particular, this could influence microbe-driven greenhouse gas emissions in soils, e.g., N2O. However, responses of soil microbial community structure and functions to the warming and altered precipitation remain largely unexplored on the plateau, especially for the soil microorganisms involved in nitrogen cycling. The present study explored the effects of warming and altered precipitation on the denitrifying bacterial community in alpine meadow soils at Naqu research station on the Qinghai-Tibet Plateau. The effects of short-term (three months)warming (+1℃, +2℃,and +4 ℃)and precipitation change (50% precipitation decrease and 100% precipitation increase)on denitrifying bacteria (nirS) abundance and community structure were characterized using quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP). The qPCR results showed that temperature increase in all treatments did not significantly affectnirSgene abundances, and both precipitation treatments did not significantly influencenirSgene abundances in the control and 2℃ warming treatments. In contrast, the 4℃ warming coupled with 100% precipitation increase treatments significantly elevatednirSgene abundances, suggesting that the interaction of warming and precipitation increase influenced the gene abundance at higher temperatures. Principal component analysis based on T-RFLP data demonstrated that temperature increase substantially altered thenirScommunity structure under conditions of no precipitation change and precipitation increase. ThenirScommunity structure of the control and 100% precipitation increase treatments showed similar patterns, while the 50% precipitation decrease treatment demonstrated different community patterns from the above two treatments, suggesting that thenirScommunity structure was sensitive to precipitation decrease. Canonical correspondence analysis further revealed that thenirScommunity structure was jointly driven by temperature increase and precipitation change,indicating that the interaction of temperature increase and precipitation contributed to the shift of thenirScommunity structure.The temperature increase explained thenirScommunity structure variation by 54.2% (P<0.01),precipitation change was explained by 45.5% (P<0.05), and the two jointly explained by 19.9%. Our results indicate that short-term warming and precipitation change do not influencenirSgene abundance; however, they do substantially shift thenirScommunity structure.

nirS; gene abundance; community structure; climate change; Qinghai-Tibet Plateau

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41401287)；湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2014SKL010)

2016- 10- 18; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 08- 14

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wdkong@itpcas.ac.cn

10.5846/stxb201610182116

潘曉悅,王曉,郭光霞,孔維棟.增溫與降水變化對青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落豐度和群落結(jié)構(gòu)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(23):7938- 7946.

Pan X Y,Wang X, Guo G X,Kong W D.Effects of increased temperature and precipitation change onnirSgene abundance and community structure in alpine meadow soils on the Qinghai-Tibet Plateau.Acta Ecologica Sinica,2017,37(23):7938- 7946.