東北地理所解析高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
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，東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組王艷紅博士，于鎮(zhèn)華副研究員和金劍研究員等研究采用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國(guó)科學(xué)院人才計(jì)劃項(xiàng)目、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。
圖1進(jìn)行13CO2標(biāo)記的大豆根際土壤13C-DNA組分中屬水平細(xì)菌的相對(duì)豐度。此圖中僅展示對(duì)不同CO2濃度處理有顯著（p< 0.05）響應(yīng)的屬。
圖2正常CO2濃度（○）和CO2濃度升高（△）條件下大豆殘?bào)w在培養(yǎng)7天、14天、28天后土壤整體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)PCoA圖。
圖3不同CO2濃度條件下參與大豆殘?bào)w降解的細(xì)菌在培養(yǎng)7天、28天后群落結(jié)構(gòu)PCoA圖（基于Unweighted-Unifrac）。6和7代表13C-DNA fractions的第6層和第7層。
論文信息：
Yanhong Wang, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Guanghua Wang, Caixian Tang, Xiaobing Liu, Junjie Liu, ZhihuangXie, Jian Jin. Elevated CO2 alters the structure of the bacterial community assimilating plant-derived carbon in the rhizosphere of soya bean. European Journal of Soil Science. 2019, 70: 1212–1220
Yanhong Wang, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Guanghua Wang, Caixian Tang, Xiaobing Liu, Junjie Liu, ZhihuangXie, Jian Jin. 13C-DNA-SIP distinguishes the prokaryotic community that metabolizes soybean residues produced under different CO2concentrations. Frontiers in Microbiology. 2019, 10: 2184.
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ejss.12817
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2019.02184/full
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