東北地理所解析高CO2濃度條件下參與大豆光合碳轉化和殘體降解的細菌群落結構變化特征
大氣二氧化碳（CO2）濃度升高可促進植物的光合作用過程，改變植物光合碳向土壤中釋放的質和量，進而顯著地影響陸地生態系統的碳儲量。光合碳進入土壤后經土壤微生物途徑向不同方向轉化，因此，微生物對植物光合碳向陸地生態系統碳分配具有重要作用。解析高CO2條件下參與光合碳轉化的微生物群落特征是明確未來氣候變化與土壤碳轉化關系的核心所在。另一方面，CO2濃度升高會改變植物殘體內物質組成（例如C/N、纖維素、木質素等含量），而參與降解植物殘體的微生物活動受殘體性質的影響很大，但是關于大氣CO2濃度升高條件下參與作物殘體降解的微生物特征尚不明確。為此，東北地理所農田分子生態學科組王艷紅博士，于鎮華副研究員和金劍研究員等研究采用13C穩定同位素示蹤技術結合Illumina高通量測序技術解析了不同CO2濃度條件下（正常CO2濃度和高CO2濃度）參與大豆光合碳轉化的根際細菌群落結構特征；通過研究作物成熟后的秸稈在土壤中的分解轉化，明確了參與植物殘體降解相關的細菌群落結構動態變化過程。
參與大豆光合碳轉化的細菌研究結果表明，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代謝的細菌群落豐富度和多樣性。CO2濃度升高降低了包括Pseudarthrobacter等在內的10個屬的細菌相對豐度，這些微生物主要是快速生長型細菌并且對活性碳源敏感性高。同時，CO2濃度升高刺激了包括Novosphingobium等在內的5個屬的細菌生長，這些細菌具有同化復雜或惰性碳組分的功能（圖1）。上述結果表明，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菌數量，可能在未來高CO2濃度條件下成為調節土壤碳循環的重要機理之一。
參與植物殘體轉化的細菌研究結果表明，在整個培養期間，土壤整體的細菌群落結構在兩個不同CO2濃度殘體添加的土壤處理中均無顯著差異（圖2），但是參與不同CO2濃度大豆殘體代謝的微生物群落結構在培養后的第28天出現了顯著的差異（圖3），包括Actinomadura在內的4個屬是參與殘體代謝的主要細菌，其中Actinomadura、Nocardia和Shimazuella在正常CO2濃度殘體添加的土壤處理中比高CO2濃度殘體添加的土壤處理中分別顯著高出118–144%、71–113%和2–4倍。而Nonomuraea屬的細菌相對豐度在高CO2濃度殘體添加的土壤處理中比正常CO2濃度殘體添加的土壤處理顯著高出87–90%。上述結果表明，在高CO2濃度條件下，細菌趨向于代謝難降解的碳源，這可能與高CO2濃度條件下產生的殘體化學組成變化相關。
研究結果將對評估大氣CO2濃度升高影響農田黑土有機碳沉積提供理論參考。此系列研究工作得到中國科學院人才計劃項目、國家重點研發計劃（2017YFD0300300）和國家自然科學基金（41771326、41271261）的資助。
圖1進行13CO2標記的大豆根際土壤13C-DNA組分中屬水平細菌的相對豐度。此圖中僅展示對不同CO2濃度處理有顯著（p< 0.05）響應的屬。
圖2正常CO2濃度（○）和CO2濃度升高（△）條件下大豆殘體在培養7天、14天、28天后土壤整體細菌群落結構PCoA圖。
圖3不同CO2濃度條件下參與大豆殘體降解的細菌在培養7天、28天后群落結構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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