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土壤事实

《淮南子·说林训》:“土壤布在田,能者以为富。”

土壤是人类赖以生存的基础,是地球上最为复杂的生物材料之一。土壤由岩石风化而成的矿物质,动植物,微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质),氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。

土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系,互相制约,为作物提供必需的生活条件,是土壤肥力的物质基础。

《淮南子·说林训》:“土壤布在田,能者以为富。”

土壤是人类赖以生存的基础,是地球上最为复杂的生物材料之一。土壤由岩石风化而成的矿物质,动植物,微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质),氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。

土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系,互相制约,为作物提供必需的生活条件,是土壤肥力的物质基础。

《淮南子·说林训》:“土壤布在田,能者以为富。”

土壤是人类赖以生存的基础,是地球上最为复杂的生物材料之一。土壤由岩石风化而成的矿物质,动植物,微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质),氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。

土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系,互相制约,为作物提供必需的生活条件,是土壤肥力的物质基础。

《淮南子·说林训》:“土壤布在田,能者以为富。”

土壤是人类赖以生存的基础,是地球上最为复杂的生物材料之一。土壤由岩石风化而成的矿物质,动植物,微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质),氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。

土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系,互相制约,为作物提供必需的生活条件,是土壤肥力的物质基础。

土壤与农业
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土壤微生物多样性研究的关键科学问题
更新时间:2015-01-19 浏览数:

土壤微生物多样性是全球生物多样性的重要组成部分。然而,土壤是自然环境中最为复杂的异质体系,这决定了土壤微域环境的多样化和土壤微生物的高度多样性。但长久以来,由于研究手段和关注程度的限制,与对其他生物的认识相比,人类对微生物多样性的了解最为贫乏,而基于培养的多样性评估对单细胞的原核微生物而言尤为困难。研究指出,土壤巨大微生物多样性的绝大部分目前尚未开发,不仅是基于培养的传统研究方法对此难以推进,且当前基于rRNArDNA的诸多新技术也只是揭示了其中很少的一部分。因此,如何改进土壤微生物的培养技能、加强土壤宏基因组分析与应用、耦合土壤微生物多样性与功能、揭示土壤微域环境对微生物的影响机制是当前和今后研究土壤微生物多样性的4个关键科学问题。

1、土壤微生物的分离与纯培养

人们研究各种微生物的特性,往往要先使它们处于纯培养状态,即培养物中的所有细胞只是微生物的某1个种或株。然而,自然界中各种微生物混杂生活在一起,即使只取少量样品也是许多微生物的共存群体,所以考察土壤微生物的物种丰富度和均一度极其艰难,微生物的分离也就显得非常必要。所谓土壤微生物的分离,即指从混杂的土壤微生物群体中获得只含某1种或某1株微生物的过程。例如,显微操作分离法就是在荧光显微镜下分离单个微生物细胞,最早由Warcup成功地用于土壤真菌的分离,后经Casida改进用于细菌分离,又经Skerman改进用于琼脂薄膜载玻片上初长菌落单个细胞的分离,因而可以用于比较微生物细胞在自然条件与人工培养条件下的形态学差异。

1880年,Korh发明微生物平板分离纯化技术,稀释涂布平板法、平板划线分离法也自此成为常规方法,它们为微生物的资源获取和学科发展做出了巨大贡献。因为纯培养对于探索微生物生命机制和开发种质资源非常重要,即使在分子生物学时代,纯培养技术也依然是人类认识微生物不可替代的基本手段。当前,通过改进传统培养方法或采用新型培养技术来提高微生物的可培养性(如寡营养细菌等),争取更全面、准确地了解微生物细胞的生命规律及微生物群落的作用过程,进而对其进行高效的利用是土壤微生物多样性研究的一个重要目标。当然,近来发展的PCR16SrRNA探针杂交技术、荧光抗体技术等也已开始用于土壤环境中某些特殊微生物的分离与鉴定,特别是对那些现在认为非可培养的微生物具有更大意义。

2、土壤宏基因组学技术及应用

传统研究大多局限于从固体培养基上分离微生物,然后通过生物化学性状或特定表现型来分析,由于培养基质和培养条件的选择性作用,所以不能充分反映土壤微生物群落的原始结构和生态功能。显然,全基因组测序使鉴别和描绘1个物种的全部基因成为可能,并可获悉一些新型代谢途径和基因调控机制,认识一些病理、毒理、抗病或其他功能基因,进而可以洞察基因与物种的进化等等。特别是针对看家基因或功能基因的定量分析可以推进人类对微生物群落遗传多样性和功能多样性的理解,而微阵列(microarray)技术可用于测定基因表达图谱与新型代谢途径,进而洞悉未知基因的功能信息等,这些对于了解微生物细胞对碳源、能源、电子受体等复杂条件的调控过程以及对环境变化的响应机制等均非常重要。当然,其他一些新型研究手段也可能有助于增强人们对基因进化过程及多样性调控因子的认识。土壤宏基因组学技术即从土壤环境样品中直接提取微生物基因组DNA(宏基因组)并克隆于不同载体,再将重组载体转移到适宜的宿主以建立宏基因组文库,同时结合不同的筛选技术从基因文库中筛选新的基因或生物活性物质。其中,宏基因组文库的构建为揭示新基因提供了基础,而筛选技术大致可分为基于核酸序列差异(序列驱动)、基于克隆子特殊代谢活性(功能驱动)以及基于底物诱导基因表达(Subsrate-inducedgene-expressionscreeningSIGEX)3大类。但由于土壤宏基因组的复杂性,也需要进一步建立和发展高通量和高灵敏度的方法来筛选和鉴定文库中的有用基因。当然,土壤宏基因组学技术除用于新基因和生物活性物质的筛选和挖掘之外,也为研究土壤微生物复杂群落结构提供了重要工具,使土壤微生物多样性分析趋于完整和客观,也为土壤微生物纯培养技术提供可供参考的培养基资源。

3、土壤微生物多样性与功能耦合

当前,微生物学面临的最大挑战应是微生物系统发育与生态功能之间的耦合问题。如前所述,功能多样性是微生物全部多样性的一个方面,但土壤微生物多样性与功能之间的联系很大程度上仍是未知的。譬如,研究认为土壤微生物多样性可以影响生态系统的稳定性、生产力以及应对压力与扰动的恢复力,但其影响过程尚不十分明确。目前一般通过PLFA图谱与底物利用能力(BIOLOG)及酶活性联结土壤微生物的群落结构与生态功能,虽然PLFA包含了群落的全体组分,但BIOLOG只能反映少数适宜在微平板(microplate)培养基上生长的微生物,即通过微生物群落对选择性培养基或刺激物的反应来测定代谢活性,所以不能反映实际状态。尽管环境基因组学通过基因序列及其特征表达提供了一些功能信息,但仍需要联合其他方法来发现和判定土壤中的功能菌群,诸如现在已经比较熟悉的氨氧化细菌、反硝化细菌、甲烷氧化菌等。

功能基因组学(Functionalgenomics)也称后基因组学(Postgenomics),它利用结构基因组所提供的信息和产物,发展和应用新的实验手段,通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能,使得生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向对多个基因或蛋白质同时进行系统研究。显然,这是在基因组静态的碱基序列分析清楚之后转入对基因组动态的生物功能学研究,包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测等。功能基因组学采用的经典手段包括减法杂交、差示筛选、cDNA代表差异分析以及mRNA差异显示等,但这些技术不能对基因进行全面系统的分析,因而迫切需要发展新技术,包括基因表达的系统分析(SerialanalysisofgeneexpressionSAGE)cDNA微阵列(cDNAmicroarray)DNA芯片(DNAchip)等。

4、土壤微域环境与微生物多样性

土壤是由不同理化梯度和间续环境条件下的各种微域构成的复杂体系。土壤微生物适宜群居在具有一定界限的微域环境里,与其他土壤生物既彼此依赖又相互作用。基于微域水平的空间分异研究显示,土壤中80%以上的细菌栖息在土壤稳定团聚体的微孔内,因为微孔提供了最为有利的水分与养分生长条件。因此,土壤微域结构与空间分异应是环境条件影响土壤微生物多样性的最直接因素。土壤微域即指土壤中某些在性质上与整个土体具有巨大差异的区域,包括根际、肥际等。研究发现,土壤团聚体粒级大小可以显著影响土壤pH及有机质的种类和数量等,进而也会影响微生物的群落结构。因此,研究环境变更或管理分异对土壤微域结构的影响以及微域环境对土壤微生物多样性的调控显得十分重要。

研究认为,互作是调控土壤微生物群落结构和多样性的关键因子,例如土壤结构与水分状况的互作促成了微生物群落的空间分异。研究指出,土壤微生物多样性与不同营养水平间的互作可以通过“生态系统简易模型(Simpleecosystemmodel)”加以阐明,即分解菌对有机营养物质的再循环效率是控制系统生态过程的重要参数。虽然土壤粒级被视为土壤实体在微尺度上调节诸多土壤生物化学过程中矿物与有机质间互作的最小单元,但微域水平上的微生物行为以及施肥处理等影响不同土壤粒级中微生物群落结构与活性的过程和幅度在很大程度上仍是未知的。因此,加强不同管理措施与施肥水平对土壤粒级的影响及其与微生物多样性之间的关联研究也是今后土壤微生物多样性研究的一个关键途径。