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森林生態系統對全球碳固定起著重要的作用，評估森林生態系統的健康和潛力至關重要。土壤生態系統多功能能夠反映土壤營養物的周轉和維持以及植被多樣性，進而可以用來評估森林生態系統植被生產力。在陸生生態系統特別是森林生態系統里，磷素普遍呈現出缺乏的現象，且在夏季尤甚。森林土壤中磷素主要來自于含有機磷動植物殘體的降解。在原核生物中保守的phoD基因可以用來評估有機磷礦化的水平。有文獻表明含phoD基因的稀有種細菌對有機磷的礦化起著重要的作用，然而含phoD基因的稀有種和豐富種細菌是否能夠影響生態系統的更多功能，如以碳氮磷元素含量及酶活表示的生態系統多功能，這樣的研究鮮有報道。
中國科學院水生植物與流域生態重點實驗室、武漢植物園環境基因組學學科組萬文結副研究員與楊玉義研究員，同中南民族大學何冬蘭教授開展合作，以湖北神農架林區森林土壤為研究對象，使用Illumina MiSeq技術確定了含phoD基因細菌的組成和多樣性，使用傳統方法測定了土壤的理化性質；運用多種統計學分析方法以揭示含phoD基因的稀有種和豐富種細菌對環境的適應性和群落構建機制。
在先前研究成果的基礎上（Wan et al., 2021. Geoderma），本研究對數據進行了再挖掘。研究結果表明：含phoD基因稀有種細菌的分類學多樣性較豐富種對生態系統多功能貢獻更高，而含phoD基因豐富種細菌的系統發育學多樣性較稀有種對生態系統多功能貢獻更高。稀有種具有更高的環境位寬，表明稀有種在分類學水平上具有更強的環境適應性；豐富種具有更強的系統發育信號，表明豐富種在系統發育水平上具有更強的環境適應性。稀有種和豐富種的群落構建均由隨機過程主導，且土壤溫度扮演著重要的角色以調節隨機性和確定性過程之間的平衡。該研究為森林生態系統里有機磷礦化相關細菌多樣性的維持以及其對土壤生態系統多功能的貢獻提供了新的見解和分析手段，豐富了森林生態系統里有機磷礦化的相關知識。
該研究受國家自然科學基金面上項目、中央高校基礎研究經費和自然資源部城市土地資源監測與模擬重點實驗室開放基金資助，研究成果以“Linking rare and abundant phoD-harboring bacteria with ecosystem multifunctionality in subtropical forests: from community diversity to environmental adaptation”為題，發表在SCI期刊Science of the Total Environment（中科院1區，top10%, IF=7.963）雜志上。萬文結為論文的第一作者，楊玉義為論文的通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148943.
圖1 神農架林區土壤含phoD基因稀有種和豐富種細菌多樣性特點與維持機制