森林生态系统作为“地球之肺”孕育着丰富的生物多样性，具有调节气候，固定碳氮元素，储存水，提供木材和稳定土壤等功能。森林土壤通常表现为磷缺乏的现象，土壤里磷的输入主要来自于含有机磷动植物残体的降解。磷脂和植酸作为主要的有机磷化合物能够分别被磷酸酶和植酸酶水解。植酸降解的中间产物能够进一步为磷酸酶所水解。因而，通常用土壤磷酸酶的活性来反映有机磷矿化的水平。磷酸酶包括酸性磷酸酶和碱性磷酸酶，前者主要由植物分泌，后者主要由微生物分泌。在原核生物中发现有三个保守的产碱性磷酸酶的基因（phoA, phoD和phoX），其中含phoD基因细菌在土壤和水生环境中分布广泛而通常作为有机磷矿化的生物标志物。解析陆生生态系统里含phoD基因细菌地理分布模式和多样性特征对评估生态系统的健康和植被生产力具有重要意义。然而，森林系统里含phoD基因细菌多样性维持机制的研究不够深入。
中国科学院水生植物与流域生态重点实验室、武汉植物园环境基因组学学科组万文结副研究员与杨玉义研究员，同中南民族大学何冬兰教授开展合作，以湖北神农架林区森林土壤为研究对象，使用Illumina MiSeq技术确定了含phoD基因细菌的丰度、组成和多样性；测定了土壤的理化性质和碱性磷酸酶活性；使用多种统计学分析方法以揭示高海拔（>1500 m）和低海拔（<1500 m）区域含phoD基因细菌对环境的适应性和群落构建机制。
研究结果表明：土壤温度、电导率、速效钾含量和phoD基因丰度在低海拔区域更高。碱性磷酸酶活性在高海拔和低海拔区域未有显著性差异。然而，高海拔区域含phoD基因细菌的多样性明显更高，且系统发育聚集明显更紧密。含phoD基因细菌在高海拔区域较低海拔地区具有更宽的环境阈值和更强的系统发育信号，因而含phoD基因细菌在高海拔区域体现出更强的环境适应性。此外，含phoD基因细菌的群落构建在低海拔区域受随机性和确定性过程共同主导，在高海拔区域主要受随机性过程主动。研究人员重新设置了1000、1100、1200、1700、1900、2100和2500 m七个海拔阈值，结果表明在1100–1500 m海拔区域内，上述结论具有鲁棒性。鉴于前人文献报道知神农架林区植物多样性在高于海拔1500 m和低于海拔1500 m具有明显的差异，我们推测海拔1500 m亦可能是分化含phoD基因细菌多样性的关键海拔阈值。该研究为森林生态系统里有机磷矿化相关细菌多样性的维持提供了新的见解和分析手段，丰富了森林生态系统里有机磷矿化相关的知识。
该研究受国家自然科学基金面上项目、中央高校基础研究经费和自然资源部城市土地资源监测与模拟重点实验室开放基金资助，研究成果以“Adaptation of phoD-harboring bacteria to broader environmental gradients at high elevations than at low elevations in the Shennongjia primeval forest”为题，发表在SCI期刊Geoderma （中科院1区，top10%, IF5=5.18）杂志上。万文结副研究员为论文的第一作者，杨玉义研究员为论文的通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.11521
图1 神农架林区土壤有机磷矿化相关细菌在不同海拔阈值下环境适应性和环境限制
