解析真核生物關(guān)鍵群落 追蹤黑土健康核心因素 | 科技前線

黑土地，被譽(yù)為“耕地中的大熊貓”，是我國(guó)東北地區(qū)糧食生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。但在全球氣候變化加劇與高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)活動(dòng)的雙重影響下，黑土地正面臨有機(jī)質(zhì)下降、結(jié)構(gòu)退化、生產(chǎn)潛力降低等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。既要保障糧食安全，又要守護(hù)黑土地健康、促進(jìn)其恢復(fù)與提升，這道兩難的題該怎么破？

近日，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所研究團(tuán)隊(duì)，在東北典型黑土區(qū)開(kāi)展了一項(xiàng)覆蓋260個(gè)玉米農(nóng)田的大尺度調(diào)查，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤真菌、原生生物、藻類(lèi)及后生動(dòng)物等真核生物群落的全面解析，為黑土地保護(hù)提供了新視角。

▲哈爾濱雙城區(qū)玉米農(nóng)田（拍攝于2022年6月）。

01

摸清“居民家底”

長(zhǎng)期以來(lái)，土壤生物多樣性被認(rèn)為是支撐土壤肥力、碳固持、病原控制及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，但“哪些土壤生物比較關(guān)鍵”“土壤生物多樣性如何影響農(nóng)業(yè)與生態(tài)功能”“黑土地健康的生物指示因子是什么”等問(wèn)題，仍缺乏系統(tǒng)量化和區(qū)域尺度證據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)PacBio長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)，成功揭示了黑土地真核生物的構(gòu)成比例：真菌占比55%，原生生物占31%，藻類(lèi)和后生動(dòng)物分別占7%和4%。

這一全景式的認(rèn)知，為后續(xù)精準(zhǔn)解析土壤生物與黑土地健康的關(guān)聯(lián)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

▲三代長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序揭示黑土地土壤真核生物多樣性全景。

02

多樣性是健康“核心”

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多元回歸、隨機(jī)森林、結(jié)構(gòu)方程模型等統(tǒng)計(jì)方法驗(yàn)證：真菌多樣性是決定黑土地多項(xiàng)生態(tài)與農(nóng)業(yè)功能的核心因素，堪稱(chēng)黑土生物健康的“核心引擎”。

更讓人驚喜的是，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)隱藏的“高產(chǎn)標(biāo)識(shí)”——真菌基部類(lèi)群Rozellomycota。

此前，這一真菌類(lèi)群長(zhǎng)期被忽視。但研究證實(shí)，它是預(yù)測(cè)土壤有機(jī)碳含量和作物產(chǎn)量的最強(qiáng)因子，其多樣性越高，土壤有機(jī)碳越豐富、作物生長(zhǎng)越旺盛。

研究推測(cè)，該類(lèi)真菌通過(guò)調(diào)節(jié)土壤微食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)、加速物質(zhì)能量流動(dòng)及增強(qiáng)整體生物多樣性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳積累和作物增產(chǎn)。

數(shù)據(jù)顯示，真菌能夠顯著增強(qiáng)土壤碳穩(wěn)定性和整體土壤生物多樣性，這強(qiáng)調(diào)了真菌在黑土地生態(tài)系統(tǒng)中的中心地位。

但真菌家族里也有“搗蛋鬼”——潛在植物病原真菌PPF。其在該研究中表現(xiàn)出明確的負(fù)面作用，PPF多樣性成為黑土地健康與農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的敏感“預(yù)警指標(biāo)”。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用了多種統(tǒng)計(jì)模型，結(jié)果均高度一致地表明，在復(fù)雜的環(huán)境、氣候、空間及地形約束下，真菌多樣性始終保持強(qiáng)勁而穩(wěn)定的預(yù)測(cè)能力，是真正意義上的“黑土生物健康核心引擎”。

▲多樣的黑土農(nóng)田真菌類(lèi)群。從左到右依次為：黃囊菇、田頭菇、鬼筆和蛋巢菌。

03

守護(hù)黑土地健康

這項(xiàng)研究不僅識(shí)別了黑土地健康的關(guān)鍵生物指示因子，也為推進(jìn)黑土地保護(hù)工程提供了重要科學(xué)依據(jù)，即通過(guò)提升和保護(hù)土壤真菌多樣性（如采用免耕、秸稈還田、減少土壤擾動(dòng)等措施），有望同步實(shí)現(xiàn)土壤肥力提升、碳固持增強(qiáng)、產(chǎn)量提高及生物多樣性保護(hù)等多重目標(biāo)，真正推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向可持續(xù)方向發(fā)展。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索真菌多樣性影響黑土健康的因果機(jī)制，并將微生物功能性狀、生物量與代謝特征納入黑土地生物健康評(píng)估體系，助力黑土地的永續(xù)利用。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592732600006X

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所

責(zé)任編輯：閆文藝