东北地理所解析高CO2浓度条件下参与大豆光合碳转化和残体降解的细菌群落结构变化特征

大气二氧化碳（CO2）浓度升高可促进植物的光合作用过程，改变植物光合碳向土壤中释放的质和量，进而显著地影响陆地生态系统的碳储量。光合碳进入土壤后经土壤微生物途径向不同方向转化，因此，微生物对植物光合碳向陆地生态系统碳分配具有重要作用。解析高CO2条件下参与光合碳转化的微生物群落特征是明确未来气候变化与土壤碳转化关系的核心所在。另一方面，CO2浓度升高会改变植物残体内物质组成（例如C/N、纤维素、木质素等含量），而参与降解植物残体的微生物活动受残体性质的影响很大，但是关于大气CO2浓度升高条件下参与作物残体降解的微生物特征尚不明确。为此，东北地理所农田分子生态学科组王艳红博士，于镇华副研究员和金剑研究员等研究采用13C稳定同位素示踪技术结合Illumina高通量测序技术解析了不同CO2浓度条件下（正常CO2浓度和高CO2浓度）参与大豆光合碳转化的根际细菌群落结构特征；通过研究作物成熟后的秸秆在土壤中的分解转化，明确了参与植物残体降解相关的细菌群落结构动态变化过程。

参与大豆光合碳转化的细菌研究结果表明，与正常CO2浓度条件相比，高CO2浓度显著降低了（p< 0.05）参与13C代谢的细菌群落丰富度和多样性。CO2浓度升高降低了包括Pseudarthrobacter等在内的10个属的细菌相对丰度，这些微生物主要是快速生长型细菌并且对活性碳源敏感性高。同时，CO2浓度升高刺激了包括Novosphingobium等在内的5个属的细菌生长，这些细菌具有同化复杂或惰性碳组分的功能（图1）。上述结果表明，CO2浓度升高引起的非活性碳源在根际沉积物中的增加，可提高参与代谢光合碳的细菌数量，可能在未来高CO2浓度条件下成为调节土壤碳循环的重要机理之一。

参与植物残体转化的细菌研究结果表明，在整个培养期间，土壤整体的细菌群落结构在两个不同CO2浓度残体添加的土壤处理中均无显著差异（图2），但是参与不同CO2浓度大豆残体代谢的微生物群落结构在培养后的第28天出现了显著的差异（图3），包括Actinomadura在内的4个属是参与残体代谢的主要细菌，其中Actinomadura、Nocardia和Shimazuella在正常CO2浓度残体添加的土壤处理中比高CO2浓度残体添加的土壤处理中分别显著高出118–144%、71–113%和2–4倍。而Nonomuraea属的细菌相对丰度在高CO2浓度残体添加的土壤处理中比正常CO2浓度残体添加的土壤处理显著高出87–90%。上述结果表明，在高CO2浓度条件下，细菌趋向于代谢难降解的碳源，这可能与高CO2浓度条件下产生的残体化学组成变化相关。

研究结果将对评估大气CO2浓度升高影响农田黑土有机碳沉积提供理论参考。此系列研究工作得到中国科学院百人计划、国家重点研发计划（2017YFD0300300）和国家自然科学基金（41771326、41271261）的资助。

图1进行13CO2标记的大豆根际土壤13C-DNA组分中属水平细菌的相对丰度。此图中仅展示对不同CO2浓度处理有显著（p< 0.05）响应的属。

图2正常CO2浓度（○）和CO2浓度升高（△）条件下大豆残体在培养7天、14天、28天后土壤整体细菌群落结构PCoA图。

图3不同CO2浓度条件下参与大豆残体降解的细菌在培养7天、28天后群落结构PCoA图（基于Unweighted-Unifrac）。6和7代表13C-DNA fractions的第6层和第7层。

论文信息：

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.

论文链接：

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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