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研究解析高CO2濃度條件下參與大豆光合碳轉(zhuǎn)化和殘?bào)w降解的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化特征

作者:宋檢 時(shí)間:2022-12-12 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

大氣二氧化碳(CO2)濃度升高可促進(jìn)植物的光合作用過(guò)程,改變植物光合碳向土壤中釋放的質(zhì)和量,進(jìn)而顯著地影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。光合碳進(jìn)入土壤后經(jīng)土壤微生物途徑向不同方向轉(zhuǎn)化,因此,微生物對(duì)植物光合碳向陸地生態(tài)系統(tǒng)碳分配具有重要作用。解析高CO2條件下參與光合碳轉(zhuǎn)化的微生物群落特征是明確未來(lái)氣候變化與土壤碳轉(zhuǎn)化關(guān)系的核心所在。另一方面,CO2濃度升高會(huì)改變植物殘?bào)w內(nèi)物質(zhì)組成(例如C/N、纖維素、木質(zhì)素等含量),而參與降解植物殘?bào)w的微生物活動(dòng)受殘?bào)w性質(zhì)的影響很大,但是關(guān)于大氣CO2濃度升高條件下參與作物殘?bào)w降解的微生物特征尚不明確。為此,中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組博士王艷紅、副研究員于鎮(zhèn)華和研究員金劍等研究采用13C穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)結(jié)合Illumina高通量測(cè)序技術(shù)解析了不同CO2濃度條件下(正常CO2濃度和高CO2濃度)參與大豆光合碳轉(zhuǎn)化的根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征;通過(guò)研究作物成熟后的秸稈在土壤中的分解轉(zhuǎn)化,明確了參與植物殘?bào)w降解相關(guān)的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

參與大豆光合碳轉(zhuǎn)化的細(xì)菌研究結(jié)果表明,與正常CO2濃度條件相比,高CO2濃度顯著降低了(p<0.05)參與13C代謝的細(xì)菌群落豐富度和多樣性。CO2濃度升高降低了包括Pseudarthrobacter等在內(nèi)的10個(gè)屬的細(xì)菌相對(duì)豐度,這些微生物主要是快速生長(zhǎng)型細(xì)菌并且對(duì)活性碳源敏感性高。同時(shí),CO2濃度升高刺激了包括Novosphingobium等在內(nèi)的5個(gè)屬的細(xì)菌生長(zhǎng),這些細(xì)菌具有同化復(fù)雜或惰性碳組分的功能(圖1)。上述結(jié)果表明,CO2濃度升高引起的非活性碳源在根際沉積物中的增加,可提高參與代謝光合碳的細(xì)菌數(shù)量,可能在未來(lái)高CO2濃度條件下成為調(diào)節(jié)土壤碳循環(huán)的重要機(jī)理之一。

參與植物殘?bào)w轉(zhuǎn)化的細(xì)菌研究結(jié)果表明,在整個(gè)培養(yǎng)期間,土壤整體的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在兩個(gè)不同CO2濃度殘?bào)w添加的土壤處理中均無(wú)顯著差異(圖2),但是參與不同CO2濃度大豆殘?bào)w代謝的微生物群落結(jié)構(gòu)在培養(yǎng)后的第28天出現(xiàn)了顯著的差異(圖3),包括Actinomadura在內(nèi)的4個(gè)屬是參與殘?bào)w代謝的主要細(xì)菌,其中Actinomadura、Nocardia和Shimazuella在正常CO2濃度殘?bào)w添加的土壤處理中比高CO2濃度殘?bào)w添加的土壤處理中分別顯著高出118–144%、71–113%和2–4倍。而Nonomuraea屬的細(xì)菌相對(duì)豐度在高CO2濃度殘?bào)w添加的土壤處理中比正常CO2濃度殘?bào)w添加的土壤處理顯著高出87–90%。上述結(jié)果表明,在高CO2濃度條件下,細(xì)菌趨向于代謝難降解的碳源,這可能與高CO2濃度條件下產(chǎn)生的殘?bào)w化學(xué)組成變化相關(guān)。

研究結(jié)果將對(duì)評(píng)估大氣CO2濃度升高影響農(nóng)田黑土有機(jī)碳沉積提供理論參考。此系列研究工作得到中科院百人計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFD0300300)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41771326、41271261)的資助。

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