中科院SBB:不同土壤微生物群中根際沉積碳的分配和周轉

第一作者：黃俊生

通訊作者：劉玲莉研究員

論文DOI:https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107973

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圖文摘要

圖1 根際和根外土壤微生物群中根際沉積碳的途徑和分配概述

沉積到土壤中後，根部沉積的碳將逐漸被微生物處理，並變得更難分解。根際沉積的C被真菌群落迅速吸收，隨後被細菌群落吸收。在土壤微生物組中，真菌和GN佔據了根莖沉積C的大部分份額。橙色和深紅色虛線框分別代表真菌和細菌群落。

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成果簡介

最近，中國科學院在土壤學頂級期刊Soil Biology and Biochemistry上發表題為「Allocation and turnover of rhizodeposited carbon in different soil microbial groups」的研究論文。該文結合微生物磷脂脂肪酸的穩定同位素探測，對植物進行13CO2脈衝標記，並探索了根際沉積C在不同土壤微生物功能組中的命運。

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全文速覽

土壤有機碳（SOC）形成的最新進展表明，不穩定的植物C對於穩定的SOC庫至關重要，因為土壤微生物可以更有效地利用它。根部沉積的碳佔光合產物的5–20％，具有很高的生物利用度，並且易於代謝為土壤微生物的底物。但是，目前對於不同的微生物官能團如何將根狀沉積的C轉化為SOC仍然缺乏了解。本文結合微生物磷脂脂肪酸的穩定同位素探測，對植物進行13CO2脈衝標記，並探索了根際沉積C在不同土壤微生物功能組中的命運。在微生物組中，真菌（25.3％）和革蘭氏陰性細菌（GN； 23.5％）佔據了根莖沉積來源的大部分碳，而真菌的相對豐度（13.7％）不到GN（32.7％）的一半。這些結果表明真菌具有更高的獲得根部沉積C的能力，這可能是由於它們的菌絲生長形式使得它們能夠更有效地獲得根狀沉積的C。微生物組中根部沉積的C的平均周轉率範圍為0.04至0.13天，本文沒有發現微生物組之間根狀沉積的C的周轉率有顯著差異。根據根際沉積C在不同微生物組中的分布和周轉率，我們進一步揭示了GN（31.2％）和真菌（25.8％）通過根際沉積的C產生了最多的微生物殘留。有助於在全局變化下模擬植物C向SOC的微生物轉化過程中優化參數估計。

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引言

活根通過滲出液，黏液和脫落的細胞釋放約5–20％的光合作用碳進入土壤，這被稱為根部沉積。 這些高生物利用度和易於代謝的底物是微生物生長和活性的關鍵碳源。 研究表明，根際微生物通過微生物的轉化，對穩定土壤有機碳（SOC）庫起著關鍵作用。 在將根部沉積C處理為SOC的過程中。這種有限的認識是土壤碳形成和穩定的關鍵不確定性。

越來越多的證據表明，不穩定的C輸入首先要通過「體內微生物更新」進行處理。 通過微生物轉化，根部沉積C不斷地轉化為微生物殘留物，並最終穩定在土壤基質中。 由於不同的微生物群在其碳的使用策略和效率方面存在差異，因此它們可能會對將根狀沉積的碳處理為SOC產生不成比例的貢獻。 例如，革蘭氏陰性菌（GN）對不穩定的C的競爭通常比真菌和革蘭氏陽性菌（GP）更具競爭力。然而，平均而言，真菌比細菌具有更高的碳利用效率，從而生物量合成和殘渣產生的效率更高。 為了闡明土壤基質中根際沉積C如何穩定，需要定量方法來評估根際沉積的C在不同土壤微生物群組中的摻入和周轉率。

用13CO2與基於微生物磷脂脂肪酸的穩定同位素探測（PLFA-SIP）結合對植物進行脈衝標記，為追蹤活躍土壤微生物群落中根狀沉積C的命運提供了潛力。使用這些技術，研究表明微生物群在根際和散裝土壤中具有不同的優先級和同化根狀沉積碳的能力。由於植物和土壤特性會影響微生物群落的組成和活動，因此以前的發現僅限於個別研究。另外，關於在不同微生物組中根狀沉積的C的更新的知識很少。因此，對已發表的PLFA-SIP研究的薈萃分析可以增進我們對不同微生物群對根狀沉積C的吸收和轉化的理解。

在這項研究中，從23個13CO2脈衝標記的植物中收集了不同PLFA生物標記物13C富集的數據集。我們的目標是：（i）量化根際沉積的碳在不同微生物群中的分配，（ii）分析不同微生物群中根際沉積的C的時間動態，（iii）估算不同土壤微生物群中根際沉積的C的周轉率，以及（iv）評估不同土壤微生物群對根狀沉積碳的處理的相對貢獻。

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研究方法

微生物PLFA的穩定同位素探測（SIP）可以追蹤不同微生物生物標記物對13C標記底物的同化作用。為了探索不同土壤微生物組中根狀沉積碳的同化和轉化，我們綜合了將PLFA-SIP與13CO2脈衝標記結合的研究。根據PLFA生物標記物將土壤微生物分為五個功能組：

（i）AMF（16：1ω5，也可能表示非AMF主導系統中的GN）;

（ii）腐生真菌（以下簡稱「真菌」； 18：1ω9、18：2ω6,9和18：3ω3,6,9）;

（iii）GN（單烯和環丙烷不飽和脂肪酸，例如16：1ω7，cy17：0）;

（iv）GP（總支鏈飽和脂肪酸，例如i15：0，a15：0）;

（v）行為（屬於GP，但根據甲基化脂肪酸（例如10Me 16：0、10Me 17：0）進行了特殊區分）。

中性脂脂肪酸（NLFA）16：1ω5是AMF的替代生物標誌物。因此，我們在數據集中納入了報告NLFA 16：1ω5的研究。 PLFA總數包括上述所有組和非特定PLFA，例如14：0和16：0

編輯：汪怡珂

2020-09-16