3.4 土壤微生物组的新技术及其应用

（1）土壤微生物组学技术。包括：土壤微生物单分子技术、单细胞技术以及各种土壤微生物分子标记物技术；土壤微生物基因组、转录组、蛋白组、代谢组和脂质组技术及其关联耦合机理；土壤微生物功能组学技术；组学技术及其在土壤微生物多样性研究中的应用；基于土壤属性的物理-化学-微生物专题数据库整合分析平台。

（2）土壤微生物组原位表征技术。包括：基于单细胞筛选的土壤生物功能组学分析平台；同位素示踪土壤微生物分子标记物的原位表征技术；土壤微生物功能原位观测技术，如现代质谱和成像技术等在不同尺度连续动态监测土壤微生物生理生态过程及其环境效应；代表自然环境梯度和控制实验的土壤微生物学野外联网综合研究平台。

（3）土壤微生物组资源调控技术。主要相关技术包括：现代分子技术与传统土壤微生物资源发掘方法的比较研究；土壤微生物及其活性化合物的高通量筛选与功能分析技术；海量土壤微生物资源保存、利用与评价；土壤微生物数据库的构建及其标准化体系；合成土壤微生物组学技术及其在医疗健康、工业生产和农业发展方面的应用。

3.5 小结

以上前沿科学问题与21世纪人类面临的健康、农业、生态、环境、气候和粮食安全等重大问题密切相关，前瞻部署并集中力量实现重点突破，不仅有利于我国在土壤微生物学及相关领域实现跨越发展，在国际土壤微生物组研究领域占据一席之地，也将为我国经济社会、生态环境保护和农业可持续发展起到重要推动作用。

4、我国土壤微生物组的主要进展

过去10多年来，我国相关部门高度重视土壤微生物组研究，国家自然科学基金委部署了土壤微生物组的重大项目，科技部和农业部等部委相继设立了一系列土壤微生物相关的国家级项目，显著推动了我国土壤微生物组研究，特别是先进的分子技术在土壤微生物研究方面得到广泛应用，在研究方法方面取得了跨越式发展，已经形成了土壤微生物数量、组成与功能研究的基本技术体系。在研究内容方面以前所未有的广度和深度拓展，超越了传统细菌、真菌和放线菌的表观认识，围绕土壤微生物组的作用机理，在土壤氮素转化、土壤温室气体排放、土壤有机质的周转与肥力演变、根际微生物生态及其调控原理、土壤矿物表面与微生物相互作用机理、土壤污染物的微生物降解过程等方面取得了显著的进展。

2014年6月，中科院启动了“土壤-微生物系统功能及其调控”战略性先导科技专项（以下简称“土壤微生物专项”），聚焦土壤养分转化的微生物驱动机制，瞄准养分利用率提升的国家重大需求，依托中科院建制化的土壤微生物研究队伍，联合国内著名科研机构，系统研究我国主要农田、草地与森林系统土壤微生物的组成与格局、活性与功能及其地上-地下生态系统协同调控机理（图 1），发展土壤生物系统功能及其调控的评价模型，提升对我国农、林、草土壤微生物资源的认知水平及可持续利用的调控能力，使我国土壤微生物组研究取得重大创新突破和集群优势并进入国际先进行列。

如图 1 所示，土壤微生物专项围绕“资源”“功能”“调控”三大任务和新技术、新方法探索，集科技攻关、人才培养和平台建设于一体，通过长期持续攻关，在四大方面，取得了明显进展并产生了重要的国际影响。

4.1 土壤微生物分布格局及其驱动机制

已完成对中国典型农田、草地和森林的土壤采样工作，行程超过 8000余公里，取得以下4方面成果。

（1）评价了当代环境与历史因素对土壤微生物群落空间分布格局的影响规律，揭示了沿纬度及海拔梯度微生物多样性与植物多样性不同的分布模式。发现在长期施肥管理下，历史因素在农田土壤微生物空间分布中发挥了更加重要的作用。

（2）揭示了土壤微生物地理分异规律的环境驱动机制，发现土壤 pH 能够最大程度解释土壤微生物变异规律，包括微生物类群变异（整体群落和特异功能类群）、空间尺度变异（水平梯度和垂直梯度）、生态系统变异（自然和干扰生态系统）。在高寒地带，有机碳含量则能更好地解释青藏高原土壤微生物分布格局。

（3）阐明了全球变化下土壤微生物群落的演替和维持机制。发现在10年尺度下每增温4

可导致微生物演替速率提高2倍，人类活动和全球变化对土壤微生物的影响和改变很可能是源于随机性过程而非确定性过程，在多数情景下，随机过程的重要性超过50%。

（4）定量了干旱程度对土壤微生物群落分布的影响规律，分析了干旱程度驱动下土壤细菌群落的变化规律，解析了其在导致生态系统氮素循环发生根本性变化过程中的重要作用。发现北方草地区域氮循环在干燥度AI=0.32 处存在拐点，对干旱程度呈非线性响应。而在干旱区域（AI<0.32），土壤硝化细菌和反硝化细菌数量随干燥度指数增加而增加，在季度干旱条件下土壤微生物多样性剧烈下降。