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文章荐读
Zhou et al.（2024）在Nature Communications上发表论文“The biogeography of soil microbiome
potential growth rates”。
文章简介
土壤微生物生长是一个重要的生物地球化学过程，控制着土壤碳的积累和损失。在此，本文研究了土壤微生物组潜在生长速率的生物地理学，并表明在寒冷和潮湿地区资源丰富（高有机质和养分）和酸/中性土壤中微生物组表现出较高的生长潜力。相反，在资源贫乏、干燥、炎热和高盐土壤中，土壤微生物组的潜在生长速度较低，这表明在生长与资源获取或胁迫耐受性之间存在权衡。土壤微生物群的潜在生长率与基因组大小和核糖体RNA操纵子数量呈正相关，与最适温度、生物量碳磷比和氮磷比呈负相关。微生物潜在生长速率的空间变化与几种宏观生态学理论一致。这些发现不仅增强了对微生物适应不同环境的理解，而且有助于在土壤碳循环模型中实际地参数化微生物的生理状态。
本研究以全国尺度的土壤调查为基础(纬度变化范围为18.4°至53.3°N，经度变化范围为81.2°至129.0°E)，涵盖了我国典型的草地和森林生态系统（包括112个样本点：49个草地和63个森林）。采用18O同位素示踪技术测定微生物生长速率，扩增子测序量化了土壤真菌和细菌群落结构，同步探讨气候、土壤属性、微生物化学计量、微生物群落结构和基因组性状对微生物生长速率的影响。研究结果有助于提高对土壤微生物生活史策略以及微生物介导的土壤有机碳-气候变化反馈的理解。
研究目的
由于模型结构、参数值和气候变化之间的反馈以及初始条件的巨大变化，地球系统模型中充满了不确定性。土壤微生物群落的生理特性介导了碳(C)、氮(N)和磷(P)的生物地球化学循环。目前已经开发了70多个微生物模型来实际模拟土壤中的碳循环，然而，微生物对温度的反馈和在土壤碳循环模型中相应的表示的理解尚不完全。土壤微生物生长是一种重要的微生物生理特性，它控制着土壤非活有机碳的积累，以及土壤呼吸代谢导致的碳损失。因此，了解微生物生长对气候因素的响应有助于更好地解释气候变化条件下土壤碳的全球格局。
本研究在全国范围内使用18O同位素示踪的方法调查了土壤微生物群落的潜在生长速率，包括112个样本点（49个草地和63个森林），涵盖了广泛的地质气候模式（年平均气温范围为−4.8°C~24.4°C，德玛顿干旱指数（干旱指数越大，说明气候越潮湿）范围为7.5~93.5）。同时，作为微生物生长的潜在驱动因素，本研究评估了气候（年平均气温和干旱指数）、土壤特性（土壤质地和pH）、微生物资源（土壤有机碳、总氮、总磷、溶解有机碳和有效氮）、微生物群落结构（主要真菌和细菌门）和微生物性状（基因组大小、rrn拷贝数、最适温度和生物量化学计量学）。本研究的目的是确定微生物生物量特异性的潜在生长速率如何在地质气候梯度上变化，确定这种变化的潜在驱动因素，并探究其对土壤碳循环的影响。
研究结果
01
图1 全国微生物生长速率模式。
图a 单因素方差分析测试微生物生物量特异性潜在增长率，包括生态系统的沙漠草原（n = 33）、温带草原（n = 45）、高山草原（n = 69）、热带森林（n = 24）、亚热带森林（n = 54）、北方森林（n = 30）和高山森林（n=24）（单向方差分析与双边检验：F7,328 = 52.61，P < 0.001）。方框上方的小写字母表示生态系统之间存在显著差异（Duncan多重比较与双侧检验）。中线是中值。框限制是上和下四分位数。箱须是四分位数范围的1.5倍。
图b 微生物生物量特异性潜在增长率与干旱指数的关系（双侧检验，y=0.76ln(x)-2.49）。MBC是微生物生物量碳。
图c 微生物生物量特异性潜在增长率与年平均温度在草地（双侧检验，y=−0.12x+0.10）与森林（双侧检验，y=−0.02x+0.71）的关系。ln是自然对数。源数据作为源数据文件提供。
02
图2 控制微生物生长速率的因子。
图a 微生物生物量特异性潜在生长速率与气候、土壤因子、微生物资源和微生物群落结构之间的关系（双边检验）。
图b 在对气候、土壤因素、微生物资源和微生物群落结构的控制下，群落聚集性状对潜在生长质量的影响呈偏相关（双侧检验）。C是碳，N是氮，P是磷。*为0.01 < P < 0.05，**为0.001 < P < 0.011，***为P < 0.001。源数据作为源数据文件提供。
03
图3 微生物生长速率的生物地理学的概念图。
偏最小二乘路径模型描述了通过直接和间接途径影响微生物潜在生长速率的因素。蓝色和红色箭头分别表示正影响和负影响，而箭头上的指示值是内部模型的路径系数。C是碳，N是氮，P是磷。湿润地区有机质和营养物质高的酸性/中性土壤微生物群以担子菌门、酸性菌门和变形菌门为主，基因组规模大，生物量C：P和N：P比值低，具有较高的潜在生长速率。相反，在资源贫乏、干燥和高盐土壤中，以子囊菌门、放线菌门和芽门为主的微生物群表现出较低的潜在生长速率，表明资源获取和胁迫耐受性与生长速率的权衡。源数据作为源数据文件提供。
研究结论
森林生态系统土壤微生物生长速率普遍高于草地生态系统。北方森林和高山森林土壤微生物生长速率最快，荒漠草地土壤微生物生长速率最慢。土壤微生物生长速率随着年平均温度的增加而显著降低，支持了宏观生态学中的纬度/温度补偿假说。表明来自寒冷生态系统的土壤微生物通过提高生长速率补偿低温和短生长季环境。此外，湿润地区土壤微生物生长速率要显著高于干旱地区的土壤微生物生长速率，支持了生长和干旱抗性之间的权衡关系。寒冷潮湿地区资源丰富(高有机碳和养分)的酸性/中性土壤中的微生物组表现出较快的生长速率。相反，干旱和炎热地区高盐土壤中的微生物组展示出较慢的生长速率。土壤微生物生长速率沿气候、土壤和资源梯度的变化格局与宏观生态学中的纬度/温度补偿假说、生长和压力生存之间的权衡以及生长速率假说相一致。低资源可用性和高环境压力会降低微生物生长速率，支持了高产-资源获取-压力抵抗生活史策略权衡三角。微生物生长速率是土壤碳循环微生物模型中的一个关键参数，本文的大尺度研究为微生物模型提供了一套关键的微生物生理基准。
文章来源
Zhou, Z., Wang, C., Cha, X. et al. The biogeography of soil microbiome potential growth rates. Nat Commun 15, 9472 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53753-w.
微信号｜两瓣星球
编辑｜任梓齐
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