作为世界上国土面积第三大的国家，中国广阔的地域从南到北主要覆盖了热带、亚热带、暖温带、中温带和寒温带。多样化的气候环境条件和生境栖息地使得来自世界各地的大部分外来物种均能最大程度的在中国找到适合其自身的生境栖息地，并进而成功建立种群。此外，随着近几十年中国社会经济的飞速发展和城市化进程的快速推进以及国际贸易和国际旅游的迅猛发展，再加上全球变化等诸多因素，也大幅增加了中国境内外来物种的引入和传播速率。截至2014年，我国共有入侵植物72科285属515种(Yan XL et al. 2014)。由于入侵植物显著影响本地生态系统的结构和功能，以入侵植物的成功入侵为典型代表的环境变化已成为全球性重大环境问题之一。所以，入侵植物成功入侵的生态学机制已成为当今全球环境生态学研究领域中备受关注的关键性科学问题之一。
相关研究表明：植物在生长过程中可通过凋落物降解等途径影响并改变其根际土壤微生物群落结构及其功能特征，而土壤微生物群落结构及其功能特征的相应改变对植物的生长发育、植物群落的结构组成及其生态功能可形成一种互作。一般情况下，较高的土壤微生物多样性可增强土壤的生态功能及植物对营养获取和利用的效率。同时，一些入侵植物成功入侵的主因之一就是它们可通过凋落物降解等途径可与其根际土壤微生物群落形成植物-土壤互作，即入侵植物可引起其入侵地根际土壤微生物群落结构及其功能特征的相应改变，进而创造一个利于其自身生长及其进一步入侵的土壤微环境条件。因此，为进一步阐明入侵植物成功入侵的内在机理，入侵植物对土壤微生物群落结构及其功能特征之影响以及两者的互作及其机理已成为入侵生态学重点研究的科学问题之一。
同时，入侵植物在其入侵进程中可通过改变其凋落物的降解速率、土壤理化性质、土壤营养水平和土壤微生物群落结构及其功能特征等诸多途径影响并改变土壤氮循环，进而更利于其进一步的入侵进程。而入侵植物在其生长发育过程中所需氮素(植物生长需求量最大的营养素之一)与其根际参与土壤氮循环的关键微生物存在紧密关联性，特别是土壤固氮菌可明显提升入侵植物可利用氮水平并进而增强其入侵竞争力。此外，与本地植物相比，入侵植物的凋落物一般具有较高的氮浓度，且凋落物的降解速率和氮矿化速率等指标总体高于本地植物，进而导致入侵植物的凋落物在其降解过程中将会释放更多量的氮至土壤生态系统中，从而进一步促进其入侵进程。因此，入侵植物对土壤氮循环的影响及对其入侵进程的促进作用在其成功入侵进程中扮演着举足轻重的作用。所以，参与土壤氮循环的关键微生物(特别是固氮菌)的群落结构及其功能特征的相应变化可对入侵植物的生长生理以及两者的互作关系均会产生显著影响。简而言之，基于土壤微生物群落结构(特别是包括土壤固氮菌在内的参与土壤氮循环的关键微生物群落结构)及其功能特征视阈下，探究并阐明入侵植物凋落物降解对参与土壤氮循环的关键微生物群落结构及其功能特征的影响及其生态学驱动机理，对阐明在入侵植物入侵的微生物生态学机理以及构筑入侵植物防控理论体系和实践基础具有重要的支撑作用。
此外，随着人类活动频度与强度的日益增加，特别是近年来工业化进程的快速推进，造成比较严重的环境生态问题，特别是重金属污染因其隐蔽、持久、毒性显著等特点致使其引发的环境健康与生态安全威胁更为凸显。而长三角地区由于历史上长期的、高强度的人类生产活动和频繁开发，特别是近几十年来，长三角人口密集、工业经济发达，城镇化和工业化进程的快速推进，经济飞速发展，致使长三角地区重金属污染情况更为严重。截至2011年，长三角地区土壤镉含量最高达7.07 mg kg–1，汞含量最高达7.97 mg kg–1，铬含量最高达90.53 mg kg–1，铅含量最高达185.11 mg kg–1，锌含量最高达302.10 mg kg–1，铜含量最高达425.53 mg kg–1 (Wang HT et al. 2011)。然而，土壤中的重金属可通过淋溶等途径进入湖泊、江河和地下水体，更关键的是土壤中存在多种重金属的复合污染，进而严重威胁生态环境的健康与安全，特别是对生态系统的结构与功能构成严重威胁，如对在生态系统营养流动和物质循环过程中扮演重要角色的微生物(如参与土壤氮循环的关键微生物)群落结构和代谢功能造成显著影响。基于此，重金属的生态环境毒理效应及其机理已成为当今生态环境科学研究领域中备受关注的重大科学问题之一。更重要的是重金属污染可能对入侵植物的入侵进程产生显著影响。所以，可以预见日益增加的重金属污染可显著影响入侵植物的入侵进程。所以，重金属污染背景下入侵植物成功入侵的机理已成为入侵生态学研究领域备受关注的重大科学问题之一。
基于此，本所王从彦老师基于宏基因组学理论、方法和技术为研究手段，以参与土壤氮循环的关键微生物群落结构及其功能特征为研究载体，对起源于北美洲[中国入侵植物在起源地方面原产于北美洲的种类最多(引入频次高达137，约占入侵植物总引入频次的21.47%；Yan et al. 2014)]的菊科[在物种组成方面中国入侵植物隶属于菊科的种类最多(物种数高达92种，约占入侵植物总物种数的17.86%；Yan et al. 2014)]入侵植物加拿大一枝黄花[Solidago canadensis L.; 已对环境健康与生态安全造成严重威胁并被国家生态环境部列入中国外来入侵物种名单]根际参与土壤氮循环的关键微生物(特别是固氮菌)群落结构及其功能特征进行全景式对比分析，进而探究并阐明以镉为典型性代表的重金属污染背景下入侵植物加拿大一枝黄花凋落物降解对参与土壤氮循环的关键微生物群落结构及其功能特征之影响及其生态学驱动机理。
Figure Venn diagram showing the OTU of SNB (土壤固氮菌) at a 97% sequence similarity level among different treatments. The outermost circle is the sample name. The petal contains three lines of numbers, and from the center outward, they represent the number of core OTU (in the white circle), the number of OTU contained in each sample (not in the brackets), and the number of unique OTU contained in each sample (in the brackets), respectively. Abbreviations: CK, control with distilled water (0 mg/kg soil); SC, S. canadensis (10 g litter samples of S. canadensis per polyethylene litterbag); CdL, Cd with 7.5 mg/kg soil; CdH, Cd with 15 mg/kg soil; SCCdL, combined SC and CdL; SCCdH, combined SC and CdH.
Figure Heatmap of the beta diversity estimates of SNB based on weighted UniFrac distances. Color block represents the distance values. Blue represents a relatively short distance between samples as well as a high similarity, and red represents a greater distance between samples as well as a low similarity. Abbreviations: CK, control with distilled water (0 mg/kg soil); SC, S. canadensis (10 g litter samples of S. canadensis per polyethylene litterbag); CdL, Cd with 7.5 mg/kg soil; CdH, Cd with 15 mg/kg soil; SCCdL, combined SC and CdL; SCCdH, combined SC and CdH.
Figure LDA scores for SNB. Only taxa with mean abundances >1% were considered significant. A significance alpha of 0.05 and an effect size threshold of 2 was used for all of the biomarkers evaluated. Only taxa meeting an LDA significance threshold of >2 are shown in this figure. Abbreviations: CK, control with distilled water (0 mg/kg soil); SC, S. canadensis (10 g litter samples of S. canadensis per polyethylene litterbag); CdL, Cd with 7.5 mg/kg soil; CdH, Cd with 15 mg/kg soil; SCCdL, combined SC and CdL; SCCdH, combined SC and CdH.
Figure LEfSe method identifies the significantly different abundant taxa of SNB. The taxa with significantly different abundances among treatments are represented by colored dots, and from the center outward, they represent the kingdom, phylum, class, order, family, genus, and species levels, respectively. The colored shadows represent trends of the significantly differed taxa. Abbreviations: CK, control with distilled water (0 mg/kg soil); SC, S. canadensis (10 g litter samples of S. canadensis per polyethylene litterbag); CdL, Cd with 7.5 mg/kg soil; CdH, Cd with 15 mg/kg soil; SCCdL, combined SC and CdL; SCCdH, combined SC and CdH.
本研究结果可探究并阐明以重金属污染为典型代表的全球环境变化背景下入侵植物加拿大一枝黄花入侵对参与土壤氮循环的关键微生物群落结构及其功能特征之影响及其生态学驱动机理，并对进一步诠释以重金属污染为典型代表的全球环境变化背景下入侵植物入侵的微生物生态学机理以及构筑入侵植物预警防控具有重要的理论支撑和实践基础。
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https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125717
