土壤宏转录组学样本前处理与数据分析

Abstract

摘要：土壤宏转录组学是通过制备土壤 RNA 样本、RNA 测序、以及利用一系列生物信 息学方法和平台搭建来完成土壤微生物组的转录过程分析，提供关于基因表达和土壤微 生物组功能活性，从而获得微生物组关键代谢差异表征等信息的一门学科。关键点是针 对土壤 RNA 样本，表征特定条件下执行各个代谢过程的微生物活性特征，极大地规避 了因高通量 DNA 测序带来无法准确反映土壤微生物代谢活性的缺陷。本实验以两种类 型(酸性和碱性)湿地土壤样本为例，详述了利用市售 RNA 提取试剂盒进行的土壤宏 转录组样本制备流程，为准确评价土壤 RNA 样本制备提供参考，同时给出了宏转录组 数据分析流程，为从 RNA 水平分析土壤微生物表达活性提供思路。 关键词：土壤，宏转录组学，RNA，土壤微生物代谢活性 材料与试剂 1. 50 ml 离心管 (Thermo Fisher Scientific, USA) 2. 酚氯仿异戊醇 (配比 25：24：1, pH=8) 3. 琼脂糖 4. 电泳缓冲液 (TAE) 5. RNA 提取试剂盒 RNA Mini Kit (Qiagen, Hilden, Germany)

Spatiotemporal evolution and driving factors of black soil cultivated land within the framework of critical zones on the Earth

“…黑土地是一种极为独特且珍贵的自然资源， 全 球仅集中分布在 4 片区域， 其中一片就分布在中国 东北地区， 所以又称东北黑土地 [1] 。东北黑土地是 中国重要的粮食生产基地， 粮食和商品粮产量占全 国 1/4， 商品粮调出量占全国 2/3， 是中国粮食生产的 "压舱石" [2,3] 。同时东北黑土地土壤有机碳含量高 达 41.80 t C/hm 2 ， 位 居 全 国 首 位 [4] ， 最 大 固 碳 量 为 2887.8 g m 2 ， 固碳潜力巨大 [5] ， 也是中国生态平衡的 "调节器" 。然而， 受自然气候变化和人类社会活动 的影响， 东北黑土地产生了严重的退化问题， 威胁 到了国家粮食安全和生态安全 [6,7] 。近年来， 东北黑 土地保护越来越受到国家和学者们的关注， 相继出 台了一系列政策法规并发布了黑土地相关研究报 告 [8,9] 。但是， 目前学界对于黑土地概念仍然界定不 清， 导致对黑土地现状与变化把握不准， 这些问题 或多或少制约了黑土地保护工作的成效 [10] 。因此， 明确黑土类型， 界定黑土地概念， 探明东北黑土地 资源现状与时空动态特征， 对于东北黑土地资源保 护和可持续利用具有重要意义。 通过总结以往研究发现， 国内外学者针对黑土 类型划分和黑土区范围划定 [11][12][13][14][15] 以及黑土区土地利 收稿日期： 2023-04-04； 修订日期： 2023-07-28 基金项目： 国家自然科学基金项目 (42171289) ； 科技部科技基础资源调查专项 (2021FY100403) 。 作者简介： 姚东恒， 男， 辽宁东港人， 博士研究生， 研究方向为耕地质量评价。E-mail: b20203210945@cau.edu.cn 通讯作者： 孔祥斌， 男， 河北承德人， 教授， 研究方向为土地资源评价、 利用与保护。E-mail: kxb@cau.edu.cn 2023 年 9 月 姚东恒等： 地球关键带框架下的黑土地时空演变及其驱动因素 http://www.resci.cn 用类型变化 [16,17] 等方面已开展大量研究。但是有关 黑土地概念界定的研究却鲜有报道， 黑土地尚无明 确的定义和准确的分布面积 [10] ， 黑土地概念和分布 仍然模糊不清 [18] 。有学者认为产生这一问题的主要 原因是黑土分类体系多样， 不同分类体系对黑土定 义和分类不同 [19] ， 并且学者们对黑土的看法和研究 程度不尽相同 [11,13] ， 选用的分类体系也就不同， 所以 出现了黑土地的概念及其分布面积模糊不清的情 况。然而， 这并非是黑土地概念不清的主要原因。 虽然黑土分类体系多样， 但其背后都是有权威的土 壤分类体系做支撑， 或是根据成土过程和成土因素 定性描述， 或是根据诊断层和诊断特性定量刻画 [20] 。 学者们从多个角度和多个标准进行研究， 虽然研究 结果存在差异， 但是结论大都是准确的、 可靠的， 只 是未能形成一种统一的看法。从单一的土壤或土 地利用/覆盖视角和要素研究土地资源科学问题， 缺 乏系统观的认知， 限制了对整个资源系统要素构成 与要素间相互作用的理解 [21] ， 将土地 (黑土地) 与土 壤 (黑土) 二者概念混淆， 这是导致黑土地概念模糊 不清最主要的原因。所以， 有必要从系统观的视角 认知黑土地， 厘清黑土与黑土地概念关系， 从而明 确黑土地概念。 21 世纪初， 科学家们提出了一个地球表层过程 的系统科学框架， 即地球关键带科学 [21] 。地球关键 带明确了地球表层资源要素组成， 厘清了各组成部 分在空间上的层级关系， 为地球科学研究提供了一 个系统观的研究思路和范式 [22][23][24] 。Zhang 等 [25] 基于 地球关键带理论， 定义了 SOTER 的概念及其分类， 即土壤 (Soil) 和地体 (TERrain) 综合体； 李晓亮等 [26] 基于地球关键带思想， 构建了陆地表层系统分类研究 框架， 自上而下划分相应层级， 揭示了陆地表层系 统空间分异格局和演变规律； 刘亚男等 [27] 借鉴地球关 [6,28,29] 研究框架…”