Nature Communications|植物多样性通过根际中的正向微生物关联促进农业土壤的碳利用效率

题目：

Plant diversity drives positive microbial associations in the rhizosphere enhancing carbon use efficiency in agricultural soils 

期刊： 

Nature Communications  

第一作者：

Luiz A. Domeignoz-Horta

第一发表单位：  

University of Zurich

农业的扩展和集约化导致了土壤碳的流失。由于农业生态系统覆盖了地球陆地表面的40%以上，它们必须成为应对气候变化的解决方案的一部分。目前，为了最大限度地保留土壤碳的有效管理实践的发展受限，部分原因在于对植物（它们向土壤输入碳）和微生物（它们决定碳的去向）如何相互作用缺乏理解。在此，本研究通过在一个大型田间试验中与大麦间作多种植物（从1种到8种），建立了一个植物多样性梯度。研究发现，随着植物多样性增加，根际土壤微生物群落中的正向关联增强，而负向关联减少。这些关联进而提高了微生物群落的碳利用效率。总体而言，本研究的结果强调了通过增加农业中的植物多样性，作为增强农业土壤碳保留潜力的管理策略的重要性。

生物学家已经通过实验证实了生物多样性丧失如何通过影响能源流动和物质循环进而影响生态系统过程。这些过程是生态系统功能的基础。长期的生态实验在增加我们对生物多样性如何增强生态系统生产力、稳定性和对气候极端事件的恢复力的理解方面发挥了关键作用。虽然到目前为止，植物多样性与地上植物生产力之间的关系是最广泛研究的生态系统功能，但近年来，越来越多的研究表明，促进积极的生物多样性与生态系统功能关系的许多机制实际上发生在地下。

已经认识到植物多样性对土壤碳循环的潜在影响，因为土壤是最大的陆地碳库，土壤与大气之间的碳反馈在未来几十年内的全球气候变化中扮演着重要角色。植物生物量和根分泌物是土壤中碳的主要来源，但最终是微生物的活动决定了土壤中碳的命运。

微生物通过分解（即矿化）植物化合物，将其转化为更难以分解、更稳定的土壤碳库。虽然人们对碳在土壤中保存的非生物控制因素了解较多，但真菌和细菌衍生的碳对土壤碳形成的重要性最近才得到认可。已有假设认为，微生物衍生的土壤有机质（SOM）化合物的复杂性越高，分解的代谢成本越高，从而导致在土壤中的停留时间越长。最近的研究支持了这一假设，发现微生物群落组成能够解释土壤有机质的化学特征，并且微生物群落组成影响土壤有机质的热稳定性。更热稳定的土壤有机质较不易分解，可能在土壤中存留更长时间。当微生物代谢植物碳时，一部分碳会分配到生长中，而生成的微生物生物量最终通过排泄或细胞死亡贡献给土壤碳库。生长效率或碳利用效率（CUE）代表微生物细胞吸收的碳中有多少保留在生物量中，而不是被呼吸作用释放。土壤碳储量的预测对微生物碳利用效率的假设非常敏感。研究表明，多样化的微生物群落比物种较少的群落更倾向于将碳分配到生长上，而不是呼吸作用，这可能部分是由于高多样性群落中的成员互补性效应较强。互补性效应包括物种间的生态位分化和协作，能够提高资源利用效率和生产力。如果植物多样性或特定的植物根系特征能够促进地下微生物群落的互补性效应，这将增加微生物数量和生长，进而通过更高的微生物群落碳利用效率促进碳在土壤中的留存。

这些过程之前已被整合到“土壤微生物碳泵”的概念框架中。该框架反映了微生物分解和合成活动对土壤有机质形成的长期累积影响。二十年前，著名的“耶拿实验”表明，增加植物多样性会带来土壤碳含量的增加。该实验的结果进一步阐明了根际微生物群落对理解植物-微生物相互作用在土壤功能中的重要性。例如，更多样化的植物群落增加了根系分泌物对根际微生物群落的可及性，这可能会对群落碳利用效率和碳循环动态产生影响。鉴于农业用地现今几乎覆盖了地球表面的近一半，明确这些在生物多样性实验中观察到的发现是否能够在农业背景中重现变得至关重要。

在农业背景中重现生物多样性实验中的多样性效应面临各种挑战。例如，大多数多样性实验的结果是在开始时不同植物物种均匀分布的情况下获得的。然而，在农业背景中，一种或几种作物通常占主导地位，与其他物种的间作（即多样性效应）的影响可能因其数量有限而有所不同或减少。

在农业背景中实现多样化的另一个挑战是实施高多样性处理会增加农民在播种、收割和其他管理实践中的复杂性。例如，Cedar Creek实验的最高多样性处理包含了16种植物，而耶拿实验则包含了60种不同的草原植物物种。对于农业管理而言，这种高多样性处理的实施将带来相当大的挑战。因此，必须研究在主作物是农业背景中的主要物种的情况下，是否可以在较低的植物多样性水平上取得积极的结果，从而便于农民实施。为弥合生物多样性研究与农业科学之间的差距，TwinWin植物多样性间作农田实验于2019年建立（参见补充信息：https://carbonaction.org/en/projects/）。TwinWin实验旨在评估在一个主要农业作物与一个逐步增加的间作植物多样性梯度共同生长的情况下，生态系统功能的提供情况，并与单一种植作物进行对比。为此，研究中种植了大麦单一作物，以及增加的不同种植多样性水平（即：大麦加一种间作植物、大麦加两种间作植物、大麦加四种间作植物和大麦加八种间作植物）。选择间作植物时，基于两种根系功能特征：固氮能力和根系深度。没有固氮能力且根系浅的物种是多年生黑麦草（Lolium perenne）和猫尾草（Phleum pratense），具有固氮能力且根系浅的物种是杂三叶草（Trifolium hybridum）和白三叶草（Trifolium repens），具有固氮能力且根系深的物种是苜蓿（Medicago sativa）和红三叶草（Trifolium pratense），而根系深且没有固氮能力的物种是高羊茅（Festuca arundinacea）和菊苣（Cichorium intybus）。

本研究的总体目标是为农业土壤中根际微生物群落的碳利用效率对植物多样性梯度的响应提供实证证据。之前的一项研究表明，植物多样性增强了根际微生物群落中的碳吸收。我们总体的假设是，间作植物多样性会影响主作物根际中的微生物关联，进而介导地下微生物群落的关联，对土壤碳循环动态产生影响。我们具体的假设是：（1）植物多样性对根际微生物碳利用效率有积极影响；（2）植物多样性增加将增加土壤有机碳；（3）植物多样性对根际微生物的关联有正面影响，进而影响微生物群落的碳利用效率。为了验证这些假设，我们从TwinWin实验中采集了生长季期间的土壤样本，并采用18O-H2O独立基质法估算碳利用效率，测序了细菌和真菌群落，评估了它们的关联网络，并测定了土壤中的碳含量和质量。通过结构方程建模来区分碳利用效率的直接和间接驱动因素，我们的结果表明，植物多样性影响了微生物群落中的正向关联，这有助于提高群落的碳利用效率。

（注：以上翻译来着ChatGPT，具体文章内容请以原文内容为准。若解读有误欢迎探讨指正。）

Fig. 1: TwinWin field experiment and sampling design.

Fig. 2: Plant diversity effects on soil carbon quantity, quality, plant biomass, and soil carbon cycling processes in the rhizosphere.

Fig. 3: Network analysis design and findings.

Fig. 4: Relationship between network parameters and the response of microbial physiology to the relative abundance of different bacterial phylum across the plant diversity treatments.

Fig. 5: Structural equation model showing the relative importance of plant diversity, soil properties and plant biomass on CUE.