近日，林學院森林學團隊在微生物學頂級期刊Microbiome（一區TOP，IF5y = 19.4）上發表了題為“Tree and shrub richness modifies subtropical tree productivity by regulating the diversity and community composition of soil bacteria and archaea”的研究論文，揭示了亞熱帶森林不同多樣性梯度下土壤細菌和古菌群落對喬灌木多樣性變化的響應以及對生態系統生產力的調節機制。
生物多樣性與生態系統功能（BEF）之間的關系是生態研究中的重要課題之一。土壤微生物群落的變化可能是調節這種關系的關鍵因素之一。關于森林中真菌群落對樹木多樣性-生產力關系的影響，已經有大量研究。然而，對于細菌和古菌而言，盡管它們在森林土壤中數量眾多，并具有重要的生態系統功能，但關于它們在調節生物多樣性與生態系統功能關系中的作用的研究卻相對較少。
圖1 實驗設計與取樣示意圖
研究組科研人員利用建立在我國亞熱帶地區的大型森林生物多樣性與生態系統功能實驗平臺（BEF-China），首次通過森林生物多樣性控制實驗，揭示了原核生物多樣性對樹種多樣性-森林生產力關系的關鍵調節機制。
研究發現，隨著樹木和灌木物種豐富度的增加，細菌和古菌群落的多樣性、共生網絡和組成都呈現出不同的模式。在細菌群落方面，隨著喬木物種豐富度的增加，細菌多樣性和共生網絡的復雜性會減少；而灌木物種豐富度對細菌多樣性的影響在不同喬木物種豐富度水平上存在差異，這說明喬灌木物種豐富度會相互影響細菌群落的多樣性。此外，細菌群落的變化可能是地上植物物種豐富度的直接結果，也可能是通過改變土壤性質（如碳氮比和 pH 值）而間接影響的結果。就古菌群落而言，喬木和灌木物種豐富度對多樣性、微生物網絡復雜性和組成的影響并不明顯，而土壤性質幾乎沒有改變古菌群落的組成。
圖2 土壤細菌和古菌的 α 多樣性和群落結構
此外，該研究還利用結構方程模型提出了一種新的機制，指出喬木和灌木物種豐富度通過直接或間接調節土壤細菌和古菌群落，顯著提高了林地中樹木的生產力。具體而言，喬木物種豐富度可以通過間接途徑提高細菌多樣性，并通過促進土壤中的碳氮循環來調節細菌群落的組成，從而對群落的生產力產生連鎖效應。對于古菌而言，只有當土壤中的碳氮比增加時，它們的多樣性才會增加，這可能與樹種豐富度有關，并有助于提高樹木的生產力。
圖3 植物豐富度通過調節土壤性質和微生物群落來影響樹木生產力
綜上所述，該研究得出以下結論：1.樹種豐富度的增加大大降低了細菌群落組成的變異性和共生網絡的復雜性，且灌木物種豐富度對細菌α多樣性的影響在樹種豐富度水平上有所不同；2.喬木與灌木物種豐富度對古菌影響很小；3.喬木和灌木物種豐富度通過對土壤微生物群（細菌與古菌的多樣性和組成）的直接或間接調控，顯著提高了林分樹木的生產力。對于細菌，樹種豐富度可通過刺激土壤C/N間接提高細菌多樣性并調節細菌群落組成，進而對樹木生產力產生級聯效應（樹種豐富度 -->土壤C/N --> 細菌多樣性與群落組成 --> 生產力）；對于古菌，喬木和灌木物種豐富度均未直接改變古菌群落的多樣性和組成，但隨著土壤C/N的增加，古菌多樣性增加，從而提高了林分水平的樹木生產力，但這可能是樹種豐富度的潛在影響（樹種豐富度 -->土壤C/N；土壤C/N --> 古菌多樣性 --> 生產力）。
林學院青年教師陶思齊為論文的第一作者，張乃莉副教授和中國科學院生態環境研究中心的曲來葉副研究員為共同通訊作者，北京林業大學為文章第一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金（No. 32071644）和中國科學院戰略性先導科技專項B類（XDB31030400）等項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1186/s40168-023-01676-x
附：講解視頻
