半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要類型之一,是動(dòng)植物的重要棲息地和人類的重要生存、生產(chǎn)場(chǎng)所。半干旱草原處在干旱生態(tài)系統(tǒng)和濕潤(rùn)生態(tài)系統(tǒng)的交界地帶,因此對(duì)環(huán)境擾動(dòng)尤為敏感。降水是調(diào)控土壤含水量的最重要的因子,也是半干旱草原中最關(guān)鍵的限制性因素之一。因此,降水變化對(duì)半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)具有十分重要的意義。已有研究發(fā)現(xiàn)植物生物量隨著降水量的增加而增加,地上植物與其他環(huán)境因素的變化也引起了地下生物所處環(huán)境營(yíng)養(yǎng)水平的變化。地下微生物是生態(tài)系統(tǒng)的主要分解者,在元素的地球化學(xué)循環(huán)中扮演重要角色。但迄今為止,半干旱草原中的土壤微生物群落如何響應(yīng)降水變化還研究不足。本研究選取了位于美國(guó)加利福尼亞州斯坦福大學(xué)附近的地中海氣候類型下的半干旱草原和位于中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟多倫縣的大陸性季風(fēng)氣候類型下的半干旱草原,利用高通量的MiSeq測(cè)序技術(shù)和基因芯片(GeoChip)技術(shù),探究了土壤微生物群落的物種組成和功能結(jié)構(gòu)對(duì)不同程度的降水變化的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn):(1)在物種組成方面,不同的土壤微生物對(duì)降水變化具有不同的響應(yīng)策略。但同一種土壤微生物,如相對(duì)豐度較高的放線菌門(Actinobacteria),在兩塊氣候類型截然不同的半干旱草原上,都隨著降水的減少而線性增多,表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐干旱能力,說(shuō)明同一類型的土壤微生物的特性可以在不同氣候類型的生態(tài)系統(tǒng)中得以保持,并對(duì)同種環(huán)境擾動(dòng)作出類似的響應(yīng)。(2)在功能結(jié)構(gòu)方面,不同類別的微生物功能基因?qū)邓兓哂胁煌捻憫?yīng):土壤微生物碳降解基因、氨氧化基因、反硝化基因以及響應(yīng)可利用氮缺乏的基因相對(duì)豐度都在降水增加的條件下出現(xiàn)了明顯增加;而編碼催化氨固定最后一步反應(yīng)的酶的基因相對(duì)豐度則在降水增加的條件下明顯下降。這些功能基因的變化說(shuō)明降水增加可能導(dǎo)致土壤中碳氮含量的降低。(3)土壤微生物群落的物種組成和功能結(jié)構(gòu)對(duì)降水變化的響應(yīng)并不一致,原因可能是二者被不同的環(huán)境參數(shù)所驅(qū)動(dòng)。土壤微生物的物種組成與土壤溫度以及地上植被等環(huán)境參數(shù)顯著相關(guān),而土壤微生物的功能基因與土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分聯(lián)系更加密切。本研究全面分析了土壤微生物的整體物種組成和功能結(jié)構(gòu)以及微生物的不同分類單元和功能基因,從微生物的角度反映了半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球降水變化的響應(yīng),并對(duì)土壤微生物領(lǐng)域相關(guān)的理論和技術(shù)進(jìn)行了探討,揭示了未來(lái)研究面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
【學(xué)位單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：S812
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景
2濃度上升對(duì)半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)的影響'>        1.1.1 大氣CO₂濃度上升對(duì)半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)的影響
        1.1.2 植物多樣性減少對(duì)半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)的影響
        1.1.3 土壤氮含量增加對(duì)半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)的影響
        1.1.4 降水變化對(duì)半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)的影響
    1.2 土壤微生物的重要性
    1.3 研究微生物的技術(shù)方法
        1.3.1 傳統(tǒng)技術(shù)方法
        1.3.2 新的技術(shù)方法
    1.4 研究目標(biāo)、內(nèi)容與技術(shù)路線
        1.4.1 研究目標(biāo)
        1.4.2 研究?jī)?nèi)容
        1.4.3 研究技術(shù)路線
第2章 實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法簡(jiǎn)介
    2.1 獲取土壤樣品中微生物的DNA
        2.1.1 土壤樣品的研磨
        2.1.2 土壤樣品中DNA的粗提
        2.1.3 DNA粗提樣品的純化
        2.1.4 DNA純化樣品的質(zhì)量檢測(cè)
    2.2 MiSeq測(cè)序和基因芯片分析
        2.2.1 MiSeq測(cè)序
        2.2.2 基因芯片
    2.3 數(shù)據(jù)分析方法簡(jiǎn)介
第3章 分子生態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)在半干旱草原微生物研究中的應(yīng)用
    3.1 研究背景
    3.2 研究方法
        3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集
        3.2.2 分子生態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
        3.2.3 分子生態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)的分析方法
    3.3 結(jié)果
        3.3.1 分子生態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)
        3.3.2 土壤微生物碳基因網(wǎng)絡(luò)的模塊和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)
        3.3.3 土壤微生物氮基因網(wǎng)絡(luò)的模塊和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)
        3.3.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)與環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系
    3.4 討論
    3.5 小結(jié)
第4章 基因芯片在半干旱草原微生物研究中的應(yīng)用
    4.1 研究背景
    4.2 研究方法
        4.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集
        4.2.2 環(huán)境參數(shù)的測(cè)定
        4.2.3 數(shù)據(jù)的分析方法
    4.3 結(jié)果
2濃度上升的響應(yīng)'>        4.3.1 環(huán)境參數(shù)對(duì)大氣CO₂濃度上升的響應(yīng)
2濃度上升的響應(yīng)'>        4.3.2 整體土壤微生物功能結(jié)構(gòu)對(duì)大氣CO₂濃度上升的響應(yīng)
2濃度上升的響應(yīng)'>        4.3.3 土壤微生物的具體功能基因?qū)Υ髿釩O₂濃度上升的響應(yīng)
        4.3.4 土壤微生物與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系
    4.4 討論
    4.5 小結(jié)
第5章 美國(guó)加州草原土壤微生物對(duì)降水增加的響應(yīng)
    5.1 研究背景
    5.2 研究方法
        5.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集
        5.2.2 環(huán)境參數(shù)的測(cè)定
        5.2.3 數(shù)據(jù)的分析方法
    5.3 結(jié)果
        5.3.1 土壤微生物群落的物種組成對(duì)降水增加的響應(yīng)
        5.3.2 土壤微生物群落的功能基因?qū)邓黾拥捻憫?yīng)
        5.3.3 土壤微生物的物種組成與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系
        5.3.4 土壤微生物的功能結(jié)構(gòu)與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系
    5.4 討論
    5.5 小結(jié)
第6章 中國(guó)內(nèi)蒙古草原土壤微生物對(duì)降水梯度變化的響應(yīng)
    6.1 研究背景
    6.2 研究方法
        6.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集
        6.2.2 環(huán)境參數(shù)的測(cè)定
        6.2.3 數(shù)據(jù)的分析方法
    6.3 結(jié)果
        6.3.1 土壤微生物群落的物種組成對(duì)降水梯度變化的響應(yīng)
        6.3.2 土壤微生物群落的功能結(jié)構(gòu)對(duì)降水梯度變化的響應(yīng)
        6.3.3 土壤微生物群落的變化與環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系
    6.4 討論
    6.5 小結(jié)
第7章 結(jié)論與展望
    7.1 研究結(jié)論
    7.2 研究展望
參考文獻(xiàn)
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

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