2024-05-07
近日，中國科學院南京土壤研究所丁維新研究員團隊在一區期刊《Global Change Biology》上發表最新科研成果，通過研究土壤中細菌、真菌、古菌和原生動物等多類微生物對土壤有機碳 (SOC) 的含量變化脅迫狀態下的時空變化，揭示了SOC的代謝分解過程與土壤微生物群落多樣性間的聯系，發現SOC損失導致微生物生物多樣性降低，但促進了土壤代謝的多營養相互作用。該研究強調了將土壤生物過程整合到SOC轉化模型中的重要性，以改善農業生態系統的功能和碳管理，應對不斷加劇的人為土地利用和氣候變化。 本研究的微生物多樣性測序和部分分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
一、研究背景
地下生物群生理功能所需的資源和能量主要來源于土壤有機質(SOM)，SOM庫大小和組成的變化會對地下群落的結構和功能產生深遠影響，其中SOC供應量是限制土壤生物群落代謝活動的關鍵節點。在人類活動的不斷干擾下，SOC供應量的動態更替進程被不斷放大和破壞，進而造成全球生態環境下有機碳儲存的下降，加劇氣候的不斷惡化，驟變頻率越來越高，造成不可估量的損失。盡管如此重要，但對地下代謝活動對SOC含量變化的響應和反饋機制仍缺乏了解。因此更深入地了解這些過程，更清晰地解讀和預測SOC供應量的動態變化，對預測全球氣候變化條件下整體生態系統功能是至關重要的。
二、實驗設計
1、目的 以不同SOC含量梯度的農田作為研究對象，通過高通量測序手段檢測土壤中多類微生物（包括古細菌、細菌、真菌、原生生物和無脊椎動物）的動態變化，探究土壤代謝、SOC分解與脅迫條件下微生物群落組成之間的網絡調控關系。 2、分組設計 共12個農田，根據SOC含量規律分成高SOC（HC）組和低SOC（LC）組，每個組在各自的6塊農田中取24個土壤樣本。 3、測序平臺 Illumina MiSeq PE300 4、測序區域 細菌16s V4-V5區（515F/907R）、古菌16s V4-V5區(524F/958R)真菌ITS1(ITS1F/ITS2R)和原生生物/無脊椎動物18s V4區（547F/V4R） 5、其他分析 土壤理化性質檢測、土壤酶活性、酶活性化學計量學和SOC分解研究等。
三、研究結果
1.土壤代謝和SOC分解 與LC組相比，HC組中的代謝C和代謝P含量顯著升高（P＜0.05），相反，LC組的SOC分解率達到了HC組的1.5倍以上。HC和LC土壤的總酶活性沒有顯著差異。隨著SOC含量的下降，代謝C和P的含量隨之降低，與SOC含量呈正相關，而總酶活性和SOC分解量則顯著增加（Fig.1）。 Fig.1：土壤有機碳(SOC)、土壤代謝和SOC分解 2.土壤生物區系的多樣性和共現網絡 隨著SOC的減少，原核生物和真核生物的多樣性也隨之減少，導致土壤集合群落的生物多樣性相應減少（Fig.2）。 Fig.2: SOC含量與(a)土壤生物群的生物多樣性和(b)基于豐富度的多樣性之間的關系 與LC組相比，HC組參與共現網絡的與古菌和細菌比例下降有限，真菌和原生生物的下降更為明顯。LC組細菌和古菌共現網絡的節點級拓撲指數，包括節點度、中間性和接近中心性，顯著高于HC網絡，而真菌的拓撲指數則相反。LC和HC原生動物網絡無顯著性差異。古菌和細菌的LC網絡比HC網絡更復雜，但原生生物和真菌則呈現不同的趨勢（Fig.3）。 Fig.3：古細菌、細菌、原生動物和真菌群落共生模式對土壤 有機碳(SOC)含量下降的差異響應 為了排除物種筑巢性對SOC與多營養共現關系的影響，只保留HC和LC多營養網絡共享的節點，重建了多營養網絡。與HC多營養網絡相比，LC多營養網絡具有更多的域間連接，域間負連接的比例更大。值得注意的是，域間負連接的比例（56%）高于域內連接（44%）。與HC組相比，LC多營養網絡表現出顯著更高的總內聚力，這是由正內聚力水平升高和負內聚力水平降低共同導致的。此外，LC多營養網絡的自然連通性和穩健性指數均大于HC，表明LC土壤中集合群落的穩定性高于HC土壤（Fig.4）。 Fig.4：高碳(HC)和低碳(LC)土壤地下宏群落的多營養網絡 3.土壤菌群組裝過程和生態位重疊 隨機過程對LC土壤中古菌和細菌群落的組成分別貢獻了77.6%和85.9%，顯著高于HC土壤。然而，從HC到LC，隨機過程對真菌群落組裝的貢獻減少了20%以上，導致LC土壤中確定性過程占主導地位。原生動物群落的相似性由大約60%的隨機過程組成，HC和LC棲息地之間沒有差異。LC土壤中古菌和細菌群落的生境生態位重疊顯著高于HC土壤。然而，真菌群落在LC土壤中具有較低的生態位重疊，而HC和LC生境中原生動物群落沒有觀察到顯著差異（Fig.S11）。 Fig.S11：土壤各個物種的組裝過程、生態位寬度及生態位重疊 4.土壤菌群共現模式與生物代謝之間的關聯 關聯熱圖結果顯示，SOC含量、土壤代謝和SOC分解與古菌、細菌和真菌網絡的拓撲特征顯著相關，與多營養層次網絡的相關性更強。而總酶活性隨著多營養網絡復雜性的增加而顯著增加。SOC分解隨著總酶活性的增加而增加，而代謝C和P限制的減少而增加。 構建SEM是為了探索土壤生物和非生物因素對地下代謝和SOC分解的直接和間接影響。SOC含量與多營養網絡的復雜性和負連接以及碳營養化學計量直接相關，與酶和SOC分解間接相關。多營養網絡中負連接的比例與多營養網絡的復雜性直接相關，與地下代謝和SOC分解間接相關。多營養網絡的復雜性與地下代謝和SOC分解直接相關。最終，構建的SEM解釋了SOC分解69%的變化。一般來說，多營養共生模式調節SOC含量對地下代謝和SOC分解的級聯效應（Fig.5）。 Fig.5：土壤有機碳含量、土壤共線網絡模式、代謝與有機碳分解的關系
四、研究結論
1.這項工作證明了土壤宏群落能夠通過形成一個更復雜和競爭性的多營養網絡，來增強代謝能力，以應對耗盡的資源可用性。SOC的消耗會導致原核生物和真核生物多樣性的同時下降。然而，為了提高資源獲取效率，土壤宏群落內的成員建立了更復雜的多營養網絡，促進土壤集合群落的穩定性，同時提高了其代謝強度。 2.值得注意的是，土壤代謝活動與SOC的加速分解有關，特別是在LC組中，這可能使SOC的損失更容易受到人類活動加劇和氣候變化的影響。這些發現強調了實施管理戰略的必要性，以提高農業生態系統內的SOC水平，保護土壤生物多樣性，從而改善全球生態系統碳源的可持續利用和發展。
原文引用：Li, Ye,Zengming Chen,Cameron Wagg et al. Soil organic carbon loss decreases biodiversity but stimulates multitrophic interactions that promote belowground metabolism.Global Change Biology 30.1 (2024): e17101. 原文鏈接：DOI: 10.1111/gcb.17101
