【正文】 功能多樣性。 Degens 和 Harris在測(cè)量土壤微生物群落對(duì)這些化合物 的利用方式時(shí)使用了土壤短期反應(yīng)方法，并且加入了氨基酸、 羧酸、碳水化合物和有機(jī)物（底物誘導(dǎo)呼吸）以克服上述缺陷（圖 5）。但是， 這種方法有許多的缺點(diǎn)，它是培養(yǎng)基依賴性的，并且隨著培養(yǎng)微生物群落結(jié)構(gòu)的組成會(huì)發(fā)生變化。這種方法采用了包含 95 種 C 源的微平板。Nannipieri 等討論了例如土壤呼吸、酶活力、硝化作用等傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)和不足。 而原來(lái) pH 值和底物濃度并不是最優(yōu)的，并且溫度和濕度在浮動(dòng)變化。 6 3 土壤功能性 許多方法 可以用來(lái) 檢測(cè)土壤中的微生物過(guò)程或者酶反應(yīng)速率。當(dāng)然 ， 這對(duì)于特殊的功能是不使用的， 例如線蟲(chóng)能抵抗燕麥全蝕病菌。根據(jù) Giller 等， 如果微生物多樣性改變后，土壤微生物的有用的冗余程度將會(huì)導(dǎo)致對(duì)土壤微生物群落沒(méi)有影響。 是不是 知道誰(shuí) 在負(fù)責(zé) 有機(jī)物的降解很重要呢？或者說(shuō)能不能充分的確定大量的生化途徑是否在正常進(jìn)行？如果是這樣的話，那么功能多樣性將比結(jié)構(gòu)多樣性更加重要。 生態(tài)系統(tǒng)有兩大特性：結(jié)構(gòu)和功能。 Griffiths 等證實(shí)，當(dāng)土壤微生物多樣性很低時(shí)，面對(duì)短時(shí)間的壓力（短時(shí)間 40℃ ）微生物功能性恢復(fù)受到消極的影響。由此推知，特別是在像季節(jié)性的干旱或者溫度周期性變化等這些外部因素變化強(qiáng)烈的氣候區(qū)，多樣性顯得很重要。 保險(xiǎn)假說(shuō) 根據(jù)保險(xiǎn)假說(shuō)，通過(guò)抵抗干擾的緩沖效應(yīng)（減少當(dāng)前生產(chǎn)力變化）和性能增強(qiáng)效應(yīng)（ 增加當(dāng)前平均生產(chǎn)力 ），物種豐富度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 產(chǎn)生 正面的影響 。但是，這種駝背形的關(guān)系僅僅適用于局部的和區(qū)域性的規(guī)模，當(dāng)在全球規(guī)模水平時(shí) ， 能源 豐富度關(guān)系隨著能源單調(diào)遞增。 圖 4 資源不均一性假說(shuō) （ Tilman 1982），在地域、區(qū)域和全球規(guī)模的角度。 然而，超過(guò)某一點(diǎn)，恰恰相反，資源不均一性和多樣性會(huì)減少。 資源不均一性 假說(shuō) 該假設(shè)說(shuō)明 當(dāng)一個(gè)區(qū)域在資源可利用性方面均一的貧瘠時(shí)，它將很難保持許多物種 5 并且它的生產(chǎn)力也將很低（圖 4）。 自從 MacArthur 的食物網(wǎng)模型出現(xiàn)后，人們提出了許多的生態(tài)學(xué)理論或者模型來(lái)解釋多樣性 穩(wěn)定 性或者多樣性 生產(chǎn)力之間的關(guān)系。所以，高多樣性的群落會(huì)更加穩(wěn)定。 圖 3 MacArthur(1995，左 )的食物網(wǎng)模型， May(1973,右 )的。 May挑戰(zhàn) MacArthur 的假設(shè)并且說(shuō)明這種干擾應(yīng)該是絕對(duì)值 ，在這種情況下兩個(gè)群落對(duì)于干擾的敏感程度是相同的。MacArthur 使用 了一個(gè)簡(jiǎn)單的食物網(wǎng)模型來(lái)說(shuō)明多樣性對(duì)穩(wěn)定性的影響，并且突然改變一個(gè)群落成員的數(shù)量作為干擾。 MacArthur 在 1995 年發(fā)表的一篇關(guān)于動(dòng)物種群波動(dòng)和穩(wěn)定性衡量的文獻(xiàn)中假設(shè)，群落穩(wěn)定性將 會(huì)隨著食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)而增加，而不是某一物種的個(gè)體生態(tài)學(xué)特性。 對(duì)多樣性的積極影響可以增加土壤微生物的穩(wěn)定性、彈力、抵抗力甚至生產(chǎn)力。這些因素有食物 關(guān)系、生活環(huán)境時(shí)間和空間的差異、干擾和富營(yíng)養(yǎng)化。 圖 1 根據(jù) Whittaker 的觀點(diǎn)，生態(tài)系統(tǒng)多樣性必須在不同的水平進(jìn)行觀察：一個(gè)棲息群落的 物種多樣性（ α多樣性）；隨棲息地梯度變化物種變化的速率和程度（ β多樣性）；一系列棲息地的物種豐度（ γ多樣性）。土壤 在很大程度上是典型的巨大的分層生境，有不同水平層次的 范圍，每一個(gè)范圍都可以視為一個(gè)獨(dú)立的整體。然而，土壤生物量 被界定為一種三維立體多樣性，包括根圍和絕大部分土壤、大團(tuán)聚體和微小聚體、大孔徑和小孔徑以及不同范圍等之間的可能性差異（圖一）。 Whittaker 建議將 某一生活環(huán)境 的群落 的物種多樣性（ α多樣性），比率、 物種變化隨生活環(huán)境梯度變化的程度（ β多樣性） 和同一系列生活環(huán)境的物種豐 度（ γ多樣性）區(qū)分開(kāi)來(lái)。 就群落水平生理學(xué)成像而言，可操作單元物種被可操作單元能力替代，以降低某一化合物。 ShannonWeaver 指數(shù)（ H’） 通常以以下形式使用： H’=Σ(ni/N)log(ni/N)=Σpi(logpi) 根據(jù) Odum 的觀點(diǎn) ， ni是指 每個(gè)物種的重要值， N 是指總的重要值， ni是指每個(gè)物種的重要性概率（ ni/N）。整體 性的工具也適用于研究單個(gè)微生物細(xì)胞和群落相對(duì)于環(huán)境的功能多樣性。本文將此概念擴(kuò)大，在生物 變型級(jí)別以下用高流量分析或者整體性的工具來(lái)評(píng)估個(gè)體多樣性。在此 ， 我 們討論土壤微生物研究如何促進(jìn)生態(tài)學(xué)理論的發(fā)展，反過(guò)來(lái)這些理論又將 如何促進(jìn)我們更好的了解地下系統(tǒng)。 2 土壤微生物多 樣性和功能多樣性和生態(tài)學(xué)理論的作用 迄今為止 ， 生態(tài)學(xué)理論一直致力于研究地上系統(tǒng)。本文討論的其他方面有揭露土壤微生物對(duì)轉(zhuǎn)基因生物的影響，因?yàn)槿藗冊(cè)絹?lái)越關(guān)注轉(zhuǎn)基因生物在開(kāi)放性環(huán)境中的使用，例如農(nóng)業(yè)土壤。分子生態(tài)學(xué)正在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，分子工具靶標(biāo)功能基因?qū)?huì)彌補(bǔ)多樣性 結(jié)構(gòu)信息和微生物活力之間的空缺，這只是時(shí)間的問(wèn)題。這些投稿都有一個(gè)共識(shí)，那就是 ， 當(dāng)討論土壤危機(jī) 時(shí) ，土壤 微生物多樣性 是其中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)橥寥牢⑸锝Y(jié)構(gòu)和功能多樣性對(duì)土壤肥力有 影響。本篇綜述即整合了許多此次會(huì)議上演講者的 投稿 。關(guān)于這 個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)引起了一些相關(guān)的科學(xué)討 論、公眾關(guān)注和國(guó)際相關(guān)機(jī)構(gòu)的參與，也有相關(guān)的 國(guó)內(nèi) 或國(guó)際法律法規(guī)的建立 。一篇 最近的文獻(xiàn)（ Nannipieri 等 .2020）綜述了土壤微生物群落、其多樣性以及其功能之間的相互關(guān)系。因此， 土壤中 微生物特性往往比物理或者化學(xué)性質(zhì)對(duì)人工管理和環(huán)境條件 的變化更 敏感。 雖然由于城市化發(fā) 展、侵蝕、森林采伐和污染的蔓延，每年損失上百萬(wàn)公頃的土地，但是，這個(gè)問(wèn)題一直 沒(méi)有受到 應(yīng)有的重視 。根據(jù)現(xiàn)代進(jìn)化理論，遺傳密碼的變異性和適應(yīng)性使得單個(gè)物種逐步進(jìn)化并且能夠在變化的環(huán)境中生存。它 包括 生存于地球上的所有動(dòng)植物和微生物的全部遺傳信息。 但是 ，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的定義并不適用于無(wú)性繁殖的生物（ 例如細(xì)菌和病毒 ） 。物 2 種多樣性是指一定區(qū)域內(nèi)的物種的數(shù)量和豐 度，并且這里的物種是指 （事實(shí)上或者潛在的） 能夠種內(nèi)交配并繁殖產(chǎn)生形態(tài)相似的后代 的一群個(gè)體的集合。 生態(tài)系統(tǒng)多樣性 是指棲息地、生物群落和含有各種生物生存和進(jìn)化的生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量和豐度。 關(guān)鍵詞： 生物多樣性； DNA；遺傳多樣性；分子學(xué)方法；多聚鏈反應(yīng) 1 前言 生物多樣性是指一系列的動(dòng)植 物物種，以及其遺傳物質(zhì)和所屬的生態(tài)系統(tǒng)，它包括生態(tài)系統(tǒng)、 物種和基因多樣性。然而，人們認(rèn)為在田間條件下這種轉(zhuǎn)移的頻率很低。轉(zhuǎn)基因植物的 DNA 隨著老化或者退化的植物體 或者花粉進(jìn)入土壤。 一般關(guān)于遺傳改造的細(xì)菌的 研究大部分集中在 其在環(huán)境中的留存時(shí)間、在根際的定植能力和生存能力 ，而不直接涉及微生物多樣性的問(wèn)題。傳統(tǒng)的分析方法很有效 ，但是隨著分子學(xué)方法的應(yīng)用，現(xiàn)在 既 可以檢測(cè) 出可培養(yǎng)又可以檢測(cè)出不可培養(yǎng)的微生物物種。 因 研究地上生態(tài)系統(tǒng)而建立的生態(tài)學(xué)理論卻忽略了地面以下的系統(tǒng)，盡管后者對(duì)于全球性的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和地球上現(xiàn)存 的 生命很重要。 P. Nannipieri 摘要： 本文主要討論了三個(gè)相關(guān)主題：生態(tài)學(xué)理論在土壤 研究方面的應(yīng)用，用分子生物學(xué)技術(shù)來(lái)衡量微生物多樣性以及轉(zhuǎn)基因植物、 轉(zhuǎn)基因微生物對(duì)土壤遺傳多樣性的影響。 H. Insam 1 精讀報(bào)告 原文 ： J. M. Lynch. A. Benedetti. H. Insam. M. P. Nuti .K. Smalla . V. Torsvik . P. Nannipieri. Microbial diversity in soil: ecological theories, the contribution of molecular techniques and the impact of transgenic plants and transgenic microorganisms. Biol Fertil Soils (2020) 40: 363– 385 土壤微生物多樣性：生態(tài)學(xué)理論，分子技術(shù)的應(yīng)用 和轉(zhuǎn)基因植物、 轉(zhuǎn)基因微生物的影響 A. Benedetti . Nuti V. Torsvik為慶祝意大利土壤科學(xué)協(xié)會(huì)成立五十周年 而 在 2020 年愛(ài) 瑞斯舉行的土壤緊急會(huì)議上討論了這些議題。土壤微生物多樣性對(duì)于很多土壤 功能具有決 定性的意義，但是在過(guò)去卻很難測(cè)定其主要成分。 盡管 取得了一些進(jìn)步，但是 土壤 微生物多樣性和土壤功能性之間的聯(lián)系仍然是一個(gè)很大的難題。除了與農(nóng)業(yè)實(shí)踐、季節(jié)、田地位置和年代這些相關(guān)的環(huán)境因素以外，人們開(kāi)始越來(lái)越關(guān)注轉(zhuǎn)基因植物對(duì)微生物群落的影響。 在過(guò)濾器轉(zhuǎn)化、無(wú)菌土壤中和植物中，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下重建去除抗性基因 ， 發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因植物的 DNA 水平轉(zhuǎn)移給了細(xì)菌。 但必須強(qiáng)調(diào)的是，公眾關(guān)于轉(zhuǎn)基因植物中的抗性基因的討論不應(yīng)該把注意力轉(zhuǎn)移開(kāi)細(xì)菌具有抗性的真正原因，例如醫(yī)生和畜牧業(yè)中的持續(xù)濫用和過(guò)量使用抗生素。它是時(shí)間（進(jìn)化）和空間（地理分布） 作用 的 結(jié)果 。生態(tài)系統(tǒng)由互相依存的物種群落以及與其相關(guān)的自然 環(huán)境所組成， 其 大小不一。 相同物種的個(gè)體 之間無(wú)論相似或者不相似，但是對(duì)于每個(gè)物種而言，所有的個(gè)體都必須具有該物種的獨(dú)特特征。 遺傳多樣性是指一個(gè)物種內(nèi)的基因和基因型的變化。物種由具有不同遺傳特征的個(gè)體組成 。 諸多 土壤問(wèn)題例如土壤流失、土壤退化和土壤污染等， 居于 人類在第三個(gè)一千年中為保護(hù)地球和保證人類生存必須解決的 15 個(gè)危機(jī) 之中。 大量的微生物棲居于土壤中并且具有強(qiáng)大的代謝能力，這使得土壤成為一個(gè)十分神秘的生物學(xué)系統(tǒng)。 土壤微生物群的組成變化對(duì)土壤功能完整性很關(guān)鍵。該文討論了像低 pH 值和污染物等環(huán)境壓力對(duì)土壤微生物多樣性和土壤功能的影響，但是未涉及轉(zhuǎn)基因生物的影 響。 為慶祝意大利土壤科學(xué)協(xié)會(huì)成立五十周年， 2020 年我們?cè)谝獯罄膼?ài)瑞斯召開(kāi)了土壤緊急會(huì)議。一篇有關(guān) 菌根對(duì)土壤健康和肥力影響的綜述已經(jīng)作為學(xué)術(shù)論文發(fā)表。 本文討論了檢測(cè)土壤微生物多樣性的許多分子生物學(xué)方法 ，尤其關(guān)注分子 生物學(xué) 工具和它們?cè)诜治鐾寥牢⑸锒鄻有苑矫娴木薮笞饔谩?該文也將討論生態(tài)學(xué)理論在土壤研究中的應(yīng)用，盡管這些理論一般只適用于地上系統(tǒng)，但是由于微生態(tài)概念的發(fā)展這些顯得日益重要。在這點(diǎn)上， 有關(guān)轉(zhuǎn)基因 DNA 在土壤中殘留的研究已經(jīng)考慮到與植物相關(guān)的細(xì)菌與轉(zhuǎn)基因 DNA 之間的轉(zhuǎn)化。盡管土壤微生物通過(guò)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、分解作用和能量循環(huán)在生態(tài)系統(tǒng)功能扮演著很重要的角色，土壤體系忽略了當(dāng)代生態(tài)學(xué)理論的發(fā)展。 3 微生物多樣性通常被認(rèn)為是不同分類的生物個(gè)體的數(shù)量以及它們?cè)诜诸悓W(xué)中的分布。這包括在 基因組學(xué)和蛋白組學(xué)水平上通過(guò)獲得活體信息成像來(lái) 研究個(gè)體細(xì)胞。這個(gè)延伸的觀點(diǎn)似乎更適合于土壤環(huán)境的復(fù)雜性。 這樣 ， H’把 多樣性的豐富度和平等度成分都考慮在內(nèi)。 在景觀水平上來(lái)講， 人們對(duì)多樣性的定義有不同的看法。從傳統(tǒng) 的生境多樣性來(lái)看 似乎合理，所以這個(gè)概念也可能用于描述土壤微生物多樣性的概念。事實(shí)上，在一塊土壤中，有許多的微生境，例如根際、根圍、碎石、腐殖質(zhì)或大塊土壤?，F(xiàn)在仍然不知道這些微生境多樣性是如何并入土壤整體的多樣性的。另外，在土壤中，多樣性的空間變化跟根圍和大塊土、大塊土壤和顆粒土壤、大孔隙和小孔隙和不同的范圍等有著很重要的關(guān)系 我們 都知道有很多因素會(huì)影響多樣性 ，至少在理論上會(huì)影響。其中有消極的作用如壓力，積極的作用如資源多樣性或生物之間的相互影響（圖二）。 4 圖 2 外界因素決定多樣性，反過(guò)來(lái)影響生態(tài)系統(tǒng) 特性，像穩(wěn)定性、抵抗力、豐富度和生產(chǎn)力 生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān) 理論 的出現(xiàn) 已經(jīng)有近 50 年了，并且被認(rèn)為是早期生態(tài)學(xué)理論的核心法則。 其 前提是 ， 在一個(gè)具有大量能量途徑的生態(tài)系統(tǒng)中單一物種的數(shù)量變化對(duì)其它物種的影響要比 在一個(gè)能量途徑少的生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生相同變化時(shí)的影響要小。他對(duì)穩(wěn)定性的定義就是依據(jù)群落抵抗外界某一干擾的能力（圖 3）。由于支持競(jìng)爭(zhēng)性假設(shè)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)仍然存 有異議，所以 30 年后這場(chǎng)爭(zhēng)論依然沒(méi)有解決。 MacArthur 假設(shè)當(dāng)一個(gè)低多樣性（ L）的群落（這里，兩個(gè)成員）在受到外界干擾，如一個(gè)群落成員減少 50%，這種干擾比對(duì)一個(gè)高多樣性的群落（ H,20 個(gè)物種）來(lái)說(shuō)影響要大。根據(jù)的 May 的觀