微生物代谢属性驱动了吸收根/运输根根际微生物残体对土壤有机碳的差异化贡献

文献解读

原名：Microbial metabolic traits drive the differential contribution of microbial necromass to soil organic carbon between the rhizosphere of absorptive roots and transport roots

译名：微生物代谢属性驱动了吸收根/运输根根际微生物残体对土壤有机碳的差异化贡献

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：9.8

发表时间：2024.7

第一作者：汪其同

01 摘要

背景：根际是一个典型的土壤微生物热点，但并不是一个均质体。由于根系功能的分化，不同的根系功能模块(即吸收根和运输根)可以通过影响周围土壤微生物代谢活动，在微生物坏残体形成和土壤有机碳（SOC）固存中发挥不同的作用。然而，不同根功能模块介导的微生物代谢属性差异如何调控根际微生物残体C的积累仍不清楚。

方法：收集了两个不同年龄（45和55年）的云杉(Picea asperata Mast.)人工林吸收根和运输根根际和非根际土壤样品，定量比较了两个根系功能模块间根际微生物残体C对SOC贡献的差异，探究了这种差异背后的微生物代谢机制。

结果：吸收根根际微生物残体C对SOC的贡献(32.9 ~ 37.5%)显著高于运输根根际(27.7 ~ 30.5%)。这表明吸收根比运输根具有更大的促进根际微生物残体C积累的能力。这主要归因于两个根系功能模块之间微生物生长和投资属性权衡的差异。具体而言，与运输根相比，吸收根根际具有更高的微生物C利用效率、更快的生长和周转率、更低的呼吸商和酶投资，这表明吸收根支持更高的微生物生长产量并产生更多的残体。

结论：这些结果表明，根际微生物对土壤有机碳的贡献在很大程度上取决于根功能分化介导的微生物代谢属性的权衡。

02 研究背景

微生物残体在土壤有机碳形成和积累中的重要作用已经逐渐成为共识。微生物残体的产量在很大程度上取决于微生物代谢属性的权衡。因此，微生物代谢属性信息对于探索微生物C代谢过程与土壤C固存之间的内在联系至关重要。具有丰富高质量植物输入的土壤微生物热点-根际通过诱导更快的微生物合成代谢过程，在微生物残体的形成和迭代积累方面具有显著优势，为从细微尺度上深入辨识微生物过程在土壤有机碳形成和累积中的关键调控作用提供了独特的研究视角。但由于根系功能的分化，根际并不是一个均质体，不同的根系功能模块(即吸收根和运输根)根系生理代谢活性之间存在明显差异，可以通过差异化影响周围土壤微生物代谢活动，从而在微生物坏残体形成和土壤有机碳固存中发挥不同的作用。然而，目前关于不同根系功能如何通过差异化调控根际微生物代谢过程而影响根际土壤有机碳形成和积累的专一性研究近乎一片空白，极大地限制了在细微尺度上对森林土壤C形成和固存机制的深入认识与理解。

03 主要结果

1.氨基糖含量和微生物残体C对SOC的贡献

在这两个样地中，吸收根根际SOC含量比运输根根际高12.25-14.49%(图S1)。此外，在这两个样地中，吸收根根际氨基糖含量均大于运输根根际的AS含量(图1a-c)，吸收根诱导的氨基糖的根际效应也强于运输根(图1d-f)。其中，吸收根根际总氨基糖含量比运输根根际高10.35 ~ 16.67%(图1a)。吸收根根际胞壁酸和氨基葡萄糖的含量分别比吸收根根际高3.95 ~ 10.13%和15.15 ~ 22.32%(图1b-c)。

图145年和55年云杉人工林吸收根(AR)和运输根(TR) 根际氨基糖(ASs)、胞壁酸(MurA)和氨基葡萄糖(GluN)浓度(a-c)及其根际效应(RE) (d-f)。

此外，与运输根相比，吸收根诱导了更大的微生物残体C对根际SOC的贡献(图2a)。具体来说，吸收根根际微生物残体C对SOC的贡献比运输根根根际的贡献大22.5%左右(图2a)。此外，当比较细菌和真菌残体时，两个根功能模块之间仅观察到真菌残体C对SOC的贡献存在显著差异(图2b)。吸收根根际真菌残体C对SOC的贡献比运输根根际高23.79% ~ 27.41%(图2b-c)。此外，吸收根也诱导了比运输根更强的微生物残体C对SOC贡献的根际效应(图2d)。

图2 微生物残体碳(MNC)、真菌残体碳(FNC)和细菌残体碳(BNC)对吸收根(AR)和运输根(TR)根际土壤有机碳(SOC)的贡献(a-c)及其根际效应(RE) (d-f)。

2. 微生物代谢属性

在两个林地中，吸收根根际微生物生长属性的变量值明显大于运输根根根际的变量值(图3a-c)，而微生物投资属性的变量值明显小于运输根根根际的变量值(图3d-f)。同时，与运输根相比，吸收根对微生物生长属性的根际效应相对较强(图3g- 1)，而对微生物投资属性的根际效应相对较弱(图3g- 1)。

图3 根际微生物碳利用效率(CUE)、微生物生长率(MGR)、微生物周转率(MTR)、呼吸商(qCO2)、β-1,4-葡萄苷酶(BG)、酚氧化酶(PPO) +过氧化物酶(PER)在吸收根(AR)和运输根(TR)根际(a-f)的潜在活性及其根际效应(RE)。

3. 根际土壤特征、微生物代谢属性与残体积累的关系

PCA分析表明，微生物生长量代谢属性(CUE、MGR和MTR)和资源获取代谢投资(酶活性)沿第一轴向两个相反方向延伸(图4)。吸收根根际具有更大的微生物CUE、MGR和MTR，从而推动了更大的氨基糖积累(图4)。Pearson相关分析显示，氨基糖含量与土壤微生物生长性状和投资性状分别呈正相关和负相关(图4)。

图4吸收根(AR)和运输根(TR)根际微生物代谢特征及微生物残体碳对土壤有机碳(MNC/SOC)贡献的主成分分析(PCA)。

根际微生物残体C对SOC的贡献与土壤pH呈负相关，与土壤C/N呈正相关(图5a)。根际土壤pH与MGR呈负相关，与酶活性和qCO2呈正相关。另一方面，根际土壤C/N比值与微生物生长性状呈正相关，与生物量PER + PPO活性和qCO2负相关(图5a)。结构方程模型(SEM)分析结果表明，根际土壤特征间接影响根际微生物残体C对SOC的贡献(图5b)。这种间接控制是通过直接调节微生物代谢特性的权衡来实现的，特别是在生长产量和资源获取方面(图5b)。

图5根际土壤特征、微生物残体C对土壤有机碳的贡献、微生物生长属性和投资属性之间的Pearson相关系数矩阵(a);结构方程模型(SEM)描述了根际土壤特征如何通过影响微生物代谢属性的权衡来影响根际微生物残体C对土壤有机碳的贡献(b)。

04 结论

吸收根比运输根驱动了更大的微生物残体C对根际SOC固存的贡献。这主要是由于吸收根比运输根诱导了更大的微生物生长产量和更低的代谢投资。这些发现进一步表明，根际微生物残体C积累及其对SOC的贡献取决于由根系功能分化控制的微生物代谢属性的权衡。这些发现将有助于全面了解不同根系功能模块对根际土壤碳固存的深刻影响。同时，本研究从根系功能分化的角度为微生物C代谢过程在调节根际土壤C固存中的关键作用提供了新颖的和直接的经验证据。

论文id：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109529

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