中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 课题2:土壤微生物系统功能及其原位表征技术

课题2:土壤微生物系统功能及其原位表征技术

核心科学技术问题:

  1. 优化、整合和完善DNA及微生物标记物表征在时间和空间尺度的关联技术;
  2. 利用以上技术手段获得的信息的叠加和互补作用,从基因水平到群落水平上系统分析土壤微生物的功能的响应和适应机制,以及过程的驱动机制。 
  3. 功能上的协调性要求现代微生物学技术必须具有时空尺度的系统性和指示作用的互补性。

 

解决问题的思路与方法:

针对土壤生源要素非专性转化过程与微生物功能研究中的技术瓶颈,即尚无法从海量土壤微生物中直接甄别发挥作用的功能群这一科学难题,以及微生物指示作用的灵敏度和可应用性评价的尺度问题,本课题聚焦的科学问题是同位素示踪-DNA/RNA定量技术和同位素标记的微生物标记物表征技术的发展、整合、优化和完善,为在不同尺度上回答土壤微生物“做没做,做什么,谁在做,后果如何?”这一科学问题提供技术手段。通过对外源物质(标记碳或氮)去向和微生物群落结构信息进行整合跟踪分析,形成从基因水平(DNA/RNA)到群落水平(具有来源特异性的微生物标识物,包括磷脂脂肪酸和氨基糖)的土壤微生物参与策略和功能的动态评价技术,从海量土壤微生物中直接甄别发挥作用的功能群,从微生物残留物信息区分和评价不同时空尺度微生物的贡献。利用这一技术并且结合先进的显微成像、土壤中不同来源有机组分的同位素区分和裂解色谱-质谱技术,实现从基因水平到群落水平的微生物过程与功能关联研究。

 

主要研究内容:

本课题利用稳定同位素示踪技术和特色分析技术相结合,模拟培养和原位试验相结合的手段,优化、整合和完善DNA及微生物标记物表征在时间和空间尺度的关联技术,并评价表征技术的关联性、系统性和可应用性。研究中拟发展的技术和方法包括:

1. 从微生物活体信息到残留物特征相关联的表征技术----同位素示踪-DNA及微生物标记物表征与土壤生源要素转化过程的关联技术;

2. 微生物群落结构与微生物参与策略关系的甄别技术----从海量土壤微生物中直接甄别发挥作用的功能群,从微生物残留物信息区分和评价不同微生物的贡献;

3. 微生物来源复杂组分的鉴别和定量评价技术----应用裂解色谱-质谱技的同位素区分技术来鉴别和定量评价微生物来源的复杂组分;

4. 土壤生源要素微生物转化过程中微生物演替动力学和持续/记忆效应的评价----从基因水平到群落水平对微生物功能和作用时间尺度的评价技术;

5. 建立基于膜进口质谱法(Membrane inlet mass spectrometer,MIMS)的稻田土壤反硝化测定方法----阐明典型稻田土壤反硝化强度、关键限制因素及其功能微生物演变规律评价方法。

研究选取不同区域,不同梯度具有代表性的土壤类型(和整个项目需要协调一致),采用实验室模拟和田间试验相结合的手段,利用不同活性的13C或15N同位素标记底物并结合色谱-质谱或同位素比例质谱技术,在不同时间尺度上进行同位素在DNA/RNA、磷脂脂肪酸和氨基糖中富集比例的定量测定,系统研究各表征技术的灵敏度和准确性,以减小微生物过程与作用分析中的不确定性。同时,在同一时间尺度上,通过分析同位素在DNA/RNA、磷脂脂肪酸和氨基糖中富集比例的差异,从方法学上建立从基因到群落水平上的微生物底物利用动力学的研究和评价体系。

为了建立微生物过程与土壤生源要素转化过程的关联和印证,本课题同时进行土壤有机组分“新”(标记)、“老”(非标记)色谱-质谱/同位素比例质谱技术以及裂解色谱-质谱技术的优化,完善“新”、“老”组分定量方法,确定裂解产物的来源解析方法,从而跟踪底物在土壤有机质中的分布和去向。将土壤有机组分的定量区分和微生物底物利用动力学研究相结合,建立表征土壤微生物过程及其功能的指标体系,为甄别和评价发挥作用的功能微生物群落提供技术手段。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置2个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:微生物参与策略表征及群落功能的定量特征技术,负责人为中国科学院沈阳应用生态所何红波研究员;

子课题2:功能微生物甄别技术的建立和优化,负责人为中国科学院南京土壤研究所单军研究员。

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 完成课题调研和相关资料收集,细化并完善研究方案;选取典型土壤,完成野外采样及环境因子调查,对所采集的样品进行基本理化性质测定;完成土壤样品的高通量测序分析、磷脂脂肪酸和氨基糖含量测定;分别以13C标记的葡萄糖、13C标记的氨基酸和15N标记的氨基酸为底物(简单底物)进行土壤样品培养,并确定采样时间。
2015 完成课题调研和相关资料收集,细化并完善研究方案;选取典型土壤,完成野外采样及环境因子调查,对所采集的样品进行基本理化性质测定;完成土壤样品的高通量测序分析、磷脂脂肪酸和氨基糖含量测定;分别以13C标记的葡萄糖、13C标记的氨基酸和15N标记的氨基酸为底物(简单底物)进行土壤样品培养,并确定采样时间。
2016 对于秸秆培养的同位素标记土壤样品进行DNA的密度分离、高通联测序分析、13C-磷脂脂肪酸测定和13C、15N-氨基糖测定,确定微生物群落演替评价的准确性和底物可利用性的关系;利用热裂解气谱-质谱技术,测定不同底物培养的同位素标记土壤样品中热裂解产物的13C和15N富集比例,建立微生物来源的复杂组分和稳定性物质的解析方法。选取典型土壤,建立同位素示踪微区试验。
2017 通过对测定技术的表征功能进行,建立外源碳、氮微生物转化动力学以及持续效应与平衡态的研究方法;建立新同化碳在微生物标识物中去向的解析及其评价方法;建立微生物来源的复杂组分和稳定性物质的解析方法和组装技术,并进行底物异质性和土壤异质性分析。将系统化的技术和方法应用于田间原位样品的综合分析。
2018 完成田间原位样品的微生物指标的表征,对微生物动力学评价技术和土壤新老组分区分技术进行验证,从基因水平到群落水平上系统分析土壤微生物的功能的响应和适应机制,以及过程的驱动机制;基于研究结果的综合分析,明确不同技术在田间原位试验的可应用性,建立田间微生物作用与功能的原位表征的系列技术;完成课题总结报告。
五年成果
具体体现
建立微生物作用与功能的动态评价技术,定量描述土壤生态过程的动力学规律,为揭示土壤关键元素转化过程中微生物的参与策略和非专性机制研究提供有效的技术手段;从基因水平到群落水平的土壤微生物功能的评价技术系统化,从海量土壤微生物中直接甄别发挥作用的功能群;培养博士后1名和研究生5-10名;发表学术论文20篇,其中SCI检索论文8篇以上,具有国际影响力的高水平论文1-2篇。