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全球气候和环境变化已引起人们的广泛关注。海洋上，温室气体释放增加使得海洋逐步酸化，从而威胁海洋生态系统；陆地上，全球变暖加速了冰川融雪，会造成海平面上升，引发海侵而危及沿海生态和人们生活。全球气候变化引起的灾害天气频发也影响着人们的正常生产和生活。长期以来，对陆地生态系统在全球变化过程中的响应研究主要关注于地上部植物以及土壤碳库等的变化情况，而对地下部微生物生态系统的关注不够。地上地下生态系统相互关联，研究地下微生物生态系统对全球变化因子的响应，对于全面认识全球气候和环境变化的后果，制定适应和应对策略具有重要科学意义。
本论文以与氮循环密切相关的氨氧化微生物为指示生物，利用分子生物学手段(包括定量PCR、克隆文库和限制性酶切多态性)来研究氨氧化细菌和古菌对未来全球变化的响应，主要包括三个长期定位试验点不同全球变化因子影响下土壤氨氧化细菌和古菌amoA基因的种群丰度和结构特征。主要研究结果如下：
1)美国杜克大学长期CO2升高试验(4个处理：对照(AU)，施氮肥(AN)，增加CO2(EU)和增加CO2施氮肥(EN))。增加CO2时间为10年，施氮肥时间为2年。施氮肥(AN)显著增加氨氧化细菌amoA基因拷贝数；而δ13C与氨氧化古菌amoA基因拷贝数的相关分析表明CO2升高促进氨氧化古菌的生长；但同时增加CO2和施氮肥(EN)，它们对氨氧化细菌或古菌的促进作用不显著。限制性酶切分型和克隆测序表明氨氧化古菌在AN处理中Soil-cluster5/2的比值显著高于其余处理；氨氧化细菌在EU和EN处理中包括有Cluster_1、Cluster-2、Cluster_9、Cluster_11和Cluster_3a，并且在EU处理中，Cluster_2所占比例下降，而Cluster_9和Cluster_11所占比例上升；AU处理中有Cluster_1、Cluster_2和Cluster_9；AN处理中有Cluster_1、Cluster_2、Cluster_4和Cluster_9，其中Cluster_2都所占比例均超过50％。以上结果表明，CO2升高会改变土壤氨氧化细菌的种群结构，但对氨氧化古菌种群结构的影响不大。环境因子与amoA基因型的CCA分析结果显示，土壤pH是影响氨氧化细菌和古菌分布的主要环境因子。
2)瑞典Flakaliden长期土壤增温试验(4个处理：对照(IC)，施肥(ILC)，增温(Ih)和增温施肥(ILh)。其中施肥为完全配方施肥处理，时间为19年，土壤增温时间为12年。定量PCR结果表明氨氧化细菌amoA基因拷贝数比氨氧化古菌amoA基因拷贝数高2-3个数量级。氨氧化细菌amoA基因拷贝数和细菌16S rRNA基因拷贝数的比值显示施肥比增温对氨氧化细菌丰度的影响大，而氨氧化古菌amoA基因拷贝数与古菌16S rRNA拷贝数的比值显示增温对氨氧化古菌丰度的影响大。ILC和ILh处理中，氨氧化细菌amoA基因型只有Cluster_2，而氨氧化古菌的Soil_cluster5与Soil_cluster_2的比值要高于IC和Ih处理中相应的比值。CCA的分析结果也表明施肥是影响氨氧化细菌和古菌分布的主要环境因子。
3)澳大利亚昆士兰州Peachester森林长期计划火烧试验(3个处理：对照组(B0)，2年烧组(B2))，4年烧组(B4)，分表层土(0-10cm)和亚表层土(10-20cm)采样。火烧试验时间为33年。2年烧处理显著改变土壤理化和生物学性质，pH显著升高，土壤总碳、总氮和溶解性有机碳(DOC)和氮(DON)的含量显著降低，微生物生物量碳含量显著降低；4年烧处理对土壤理化性质和生物性质的影响较小，只有pH显著升高。火烧对亚表层土壤的影响小。amoA基因拷贝数与土壤理化和生物性质的相关分析表明，氨氧化细菌丰度与pH呈显著正相关，而与DOC/DON比值呈显著负相关；氨氧化古菌丰度与pH呈显著负相关，而与土壤C/N比值呈显著正相关，与微生物生物量碳和氮均呈显著负相关。在表层土壤中，2年烧处理中的氨氧化细菌amoA基因拷贝数显著高于对照组。火烧显著改变氨氧化古菌的群落结构，表层土壤中，Soil_cluster_2/5比值由B0组的249分别降至B2组的3.7和B4组的6.9；亚表层土壤中，Soil_cluster_2/5比值由B0组的9.8分别降至B2组的4.1和B4组的3.0。火烧对氨氧化细菌群落结构的影响也可以从Cluster_2/11的比值看出，表层土壤中，Cluster_2/11的比值由B2组的10.5降至B4组的2.6和B0组的3.2，下表层土壤中，Cluster_2/11的比值用B2组的5.2降至B4组的3.9和B0组的2.4。而且，从amoA基因的分子方差分析也发现火烧对氨氧化细菌amoA基因有显著影响。CCA分析结果表明，在不同土层中，对氨氧化细菌和古菌amoA基因分布的影响因子不完全相同，在表层土壤中，DOC显著影响氨氧化细菌amoA基因的分布，硝氮、微生物生物量氮和DOC显著影响氨氧化古菌amoA基因的分布；在下表层土壤中，土壤pH和总碳显著影响氨氧化细菌amoA基因分布，而只有总碳影响氨氧化古菌amoA基因分布。