土壤生物地球化学循环及其相互联系对环境系统的功能和服务起着重要的调节作用。然而，土壤生物地球化学过程与其介导微生物的耦合作用仍不清楚。浙江大学环境与资源学院徐建明、马斌团队，通过探索从中国东部一个纬向样带（18°N至48°N）采集的森林土壤的宏基因组中收集的生物标记基因和contigs分类群，确定了调控土壤生物地球化学过程的关键微生物分类群。相关研究发表在Research（Volume 2021 |Article ID 7102769 | https://doi.org/10.34133/2021/7102769）上。
与人类一样，微生物也有自己的特长和分工，在土壤生物地球化学循环过程中执行着不同的功能。微生物的碳固定和呼吸作用导致每天都有大量的碳素发生转化，一些固氮微生物如固氮菌（Azotobacter）引起的化学反应对初级生产力有着至关重要的影响，而铁氧化微生物如嗜酸硫杆菌（Acidithiobacillus）则能使一些在无生物参与时缓慢进行的反应迅速发生。我们虽然非常了解微生物与某些生物地球化学循环过程的关系，但对它们如何同时影响多个循环知之甚少。
从本质上来看，微生物通过一系列氧化还原反应驱动生物地球化学循环。因此，有的微生物可以耦合不同元素的生物地球化学循环。以往的研究通常会忽略这些循环间复杂的耦合关系，而仅仅探索某一特定过程或单个循环。然而，由于大量土壤微生物仍然未知，我们并不知道哪些微生物参与并耦合了不同元素的生物地球化学循环。
图1 森林土壤碳生物地球化学循环基因
图2 森林土壤氮素生物地球化学循环基因
基于非培养方式的宏基因组手段可以为解开这些问题提供新的方法。该研究采集了北纬18°至48°的45个未受人类活动干扰的森林土壤样品，分析微生物群落特征，发现一些关键过程（如，碳固定、氮同化等）与纬度呈线性相关关系，且大部分参与其中的微生物仍未被分离；聚焦生物地球化学循环基因及与之相关的微生物类群，构建微生物功能-类群网络，发现了8组相互关联的功能基因和微生物，其中6组包含至少两种元素的生物地球化学循环过程，说明这些微生物或能耦合不同元素的生物地球化学循环。
图3 生物地球化学循环过程的功能分类群二部网络
该研究打破了传统生物地球化学模型将元素循环视为独立过程的研究思路，揭示了微生物驱动的潜在的土壤生物地球化学循环耦合过程，为全面、系统地理解土壤功能、微生物生态过程等提供了新的探索手段和研究途径。
作者简介
徐建明，浙江大学环境与资源学院教授、博士生导师。美国土壤学会会士，美国农学会会士，国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者特聘教授，“土壤污染过程与修复原理”国家自然科学基金创新研究群体负责人。长期从事土壤生物地球化学循环、土壤污染控制与修复等领域的研究，主持和已完成国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点、科技部国际合作重点项目等40余项，已在The ISME Journal、Microbiome、Nature Food、Global Change Biology、Soil Biology & Biochemistry、Environmental Microbiology、Environmental Science & Technology等国际学术刊物发表论文330余篇，主编中、英文著作8部。
马斌，浙江大学土水资源与环境研究所研究员、副所长。中国土壤学会青年工作委员会副主任、土壤生物与生物化学专业委员会委员、土壤分析技术工作委员会委员。目前以第一/通讯作者在The ISME Journal、Microbiome、Soil Biology & Biochemistry等国内外重要学术期刊共发表论文40余篇，参编专著4部。近年来主要基于土壤微生物生态网络视角，瞄准当前生态文明建设的国家需求，重点针对土壤生态健康问题，在基于大数据的土壤微生物生态网络构建与解析、土壤微生物生态网络定向调控等问题开展了一系列研究，为构建土壤生态系统健康，进而为实现全球一体化健康(one health)和《健康中国2030计划》目标提供理论支持。
文章来源“Research科学研究”公众号
Research是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS, CNKI, CSCD, DOAJ, EI, ESCI, INSPEC, PMC, Scopus数据库收录。欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿，关注和使用期刊的出版内容。网址：https://spj.sciencemag.org/research/
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