生態代謝模型引入pH值準確預測細菌多樣性

土壤生物多樣性極其復雜，通常少量土壤中就存在數十億種生物，包括土壤微生物（細菌、真菌和原生生物）以及土壤動物（線蟲）等。明確土壤生物多樣性地理分布模式仍是一個巨大的挑戰。以前的研究使用定性和圖形框架等簡單分析方法，僅僅包含少數共存物種或整體系統模型，側重于突發模式但忽略了其潛在機制。著名生態學家James H. Brown等于2004年首次提出了定量評估不同尺度的系統中微生物多樣性分布模式的框架，即生態代謝理論（MTE）。簡言之，該理論預測個體的新陳代謝速率、種群增長率和物種數量隨環境溫度呈指數增長。眾所周知，土壤pH值一直被認為是決定全球尺度不同土壤細菌多樣性的主要因素。雖然生態代謝理論已被廣泛用于動植物多樣性的預測中，但在解釋不同系統中細菌多樣性分布模式時存在矛盾，這可能是因為忽視了pH值對土壤微生物多樣性的影響。

南京土壤研究所孫波和蔣瑀霽團隊創新了生態代謝理論的定量模型，將pH納入理論框架中，研究pH—溫度雙因素代謝模型對不同空間尺度下土壤細菌多樣性變化的預測能力，著力于破譯土壤細菌多樣性分布變化的未解之謎。在個體水平上，通過設置不同溫度和pH梯度的室內微宇宙實驗，測定了熒光假單胞菌的代謝速率、突變速率以及多樣化速率；在群落水平上，結合東亞大陸尺度和全球尺度，分析驗證了模型在不同種群及不同生態系統下的適用性。結果表明，該模型成功預測了細菌多樣性沿土壤pH和溫度梯度的分布模式，對多樣性變化的解釋度為7%~66%。該研究為定量化解析土壤細菌多樣性分布提供了一個模型范例，可以擴展應用于不同的時空尺度。在未來全球氣候變暖加劇的情況下，特別是在全球三大酸雨區，預測細菌多樣性隨溫度和pH的分布規律，有助于維護土壤微生物多樣性和土壤健康，推動土壤生態系統的可持續發展。

以上研究成果發表在PNAS上。該成果得到了國家優秀青年基金和國家自然科學基金重點項目的資助。

圖1 pH與溫度雙因素代謝模型理論框架