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甲烷是仅次于CO2的第二大温室气体,森林表层土壤中由好氧甲烷氧化细菌(Aerobic methane oxidizing bacteria,MOBs)驱动的甲烷好氧氧化作用是大气甲烷重要的汇,在碳循环和减缓全球变暖方面扮演着重要的作用。研究森林土壤中好氧甲烷氧化细菌群落的空间分异及其潜在驱动机制有助于更好地理解好氧甲烷氧化细菌群落对环境变化的响应机制。在山地森林生态系统海拔梯度上,土壤理化性质、植被带谱和气候条件呈现明显的梯度分布。连续的环境、气候和植被梯度使得山地森林生态系统成为研究微生物群落对环境变化响应的理想自然平台。本研究以贡嘎山东坡海拔1800m到4100m区域森林土壤为研究对象,通过对甲烷氧化单加氧酶β亚基基因(pmoA)进行Miseq测序,结合生物信息学和多元生态统计学手段对贡嘎山东坡森林土壤中好氧甲烷氧化细菌群落空间分异及其潜在的驱动因素进行了研究,得出如下基本结论: (1)为了从pmoA基因推断氨基酸水平来评估好氧甲烷氧化细菌群落结构,首先利用Python在前人的研究基础上构建了pmoA推断氨基酸序列比对和物种注释生物信息学数据库。结合现有的用于16/18S rRNA基因和ITS序列分析的生物信息工具和本研究实现的Python程序,搭建了用于功能基因扩增子测序推断氨基酸水平的生物信息学处理流程(Functional Gene Analysis Toolkit,FGAT),经测试后用于好氧甲烷氧化细菌群落结构和多样性的评估。 (2)在连续的海拔和植被梯度上,好氧甲烷氧化细菌α多样性和群落结构都出现明显的空间分异;结果显示,虽然研究尺度较小,森林土壤中好氧甲烷氧化细菌群落也和土壤总细菌一样有着明显的空间分异。 (3)在连续海拔和植被梯度上,好氧甲烷氧化细菌相对丰度组成具有较大的空间分异;在低海拔1800m到2800m区域(常绿和落叶阔叶林与针阔叶混交林),好氧甲烷氧化细菌群落组成较为相似,而在高海拔3000m到4100m区域(暗针叶林和灌丛草甸),好氧甲烷氧化细菌群落组成具有一定的差异。AOB-like和AOB-rel在整个海拔梯度上都具有较高的丰度,相比高海拔区域而言,低海拔相对丰度更高。USC-α和RA21主要出现在3000m到4100m区域,其它好氧甲烷氧化细菌在整个研究区域都具有较低的相对丰度。Spearman秩相关分析表明,不同的好氧甲烷氧化细菌对环境变化的响应可能不同,比如Crenothrix、USC-γ、AOB-rel、AOB-like和TUSC的相对丰度与大多数环境参数呈现出正相关关系,而USC-α和RA21的相对丰度与大多数环境参数具有较高的负相关关系。 (4)好氧甲烷氧化细菌α多样性在连续的海拔梯度上呈现“单峰”分布模式;在针阔叶混交林和暗针叶林土壤中α多样性较高,而在常绿和落叶阔叶林与灌丛草甸土壤中α多样性较低。Spearman秩相关分析表明,α多样性的空间分异和多种环境参数存在相关性,其中电导率表现出较强的预测能力。进一步分析表明,好氧甲烷氧化细菌α多样性在贡嘎山东坡森林土壤中的空间变化可能是多种环境变化的综合结果,其效应表现在土壤综合指标电导率上。因此,在贡嘎山东坡1800m到4100m区域森林土壤中,土壤电导率可作为好氧甲烷氧化细菌α多样性变化的指示性参数。 (5)对贡嘎山东坡森林土壤好氧甲烷氧化细菌β多样性进行的研究发现,在连续海拔梯度上2200m到4100m区域,β呈现总体上升的趋势。在1800m和2000m海拔具有较高的β多样性。暗针叶林和灌丛草甸土壤中好氧甲烷氧化细菌β多样性较高,而常绿和落叶阔叶林与针阔叶混交林土壤中β多样性相对较低。高低海拔好氧甲烷氧化细菌群落结构具有较大的差异,低海拔1800m到2800m好氧甲烷氧化细菌群落结构较为相似,而高海拔3000m到4100m区域好氧甲烷氧化细菌群落结构差异较大。基于距离的冗余分析表明,多种因素和贡嘎山东坡森林土壤好氧甲烷氧化细菌β多样性相关,其中降水、土壤pH、铵氮和温度(包括土壤温度和年均气温)相关性较高。除此之外,碳氮比、土壤总碳、土壤总氮、硝氮和土壤电导率都与好氧甲烷氧化细菌群落结构的空间分异具有显著的相关关系,表明好氧甲烷氧化细菌的群落结构空间分异可能受多种因素制约。进一步分析表明,低海拔区域好氧甲烷氧化细菌群落受到环境的束缚作用相对较大,高低海拔群落结构的差异可能和环境压力大小的差异有关。 (6)Null模型分析表明,高低海拔群落构建都是确定性过程。与高海拔相比,低海拔好氧甲烷氧化细菌群落受到的确定性作用更大。变差分解分析表明,低海拔好氧甲烷氧化细菌群落构建的主要驱动力是环境过滤,而高海拔较高的β多样性可能源于扩散限制的作用。丰度差异分析也表明,和高海拔相比,低海拔贫化的OTU要比富集的OTU更多,暗示低海拔可能是由于环境过滤的作用导致部分taxa丢失或者丰度降低,从而使得群落高度相似;研究结果暗示,高低海拔好氧甲烷氧化细菌群落结构出现明显的空间分异可能源于不同的多样性维持机制。