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華南植物園揭示微生物網(wǎng)絡(luò)重組驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)期增溫下微生物碳代謝的熱適應(yīng)
土壤每年因微生物的分解作用向大氣排放約40-60 Pg的碳。氣候變暖預(yù)計(jì)將進(jìn)一步刺激微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的分解，導(dǎo)致正的碳-氣候反饋效應(yīng)。然而，盡管已有大量關(guān)于增溫下微生物碳代謝特征及其對(duì)土壤有機(jī)碳分解影響的研究，但多基于短期實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)研究。人們對(duì)長(zhǎng)期增溫影響下土壤微生物碳代謝的變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制了解有限，特別是在熱帶和亞熱帶森林中，這阻礙了對(duì)土壤碳-氣候反饋的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。微生物碳利用效率(即微生物將底物碳用于自身生長(zhǎng)的比例)對(duì)土壤碳積累至關(guān)重要，但其如何隨增溫持續(xù)時(shí)間而變化仍不清楚。
基于此，中國(guó)科學(xué)院華南植物園鼎湖山站劉菊秀研究員團(tuán)隊(duì)基于在鼎湖山建立并連續(xù)運(yùn)行十余年的野外生態(tài)系統(tǒng)水平增溫平臺(tái)( 0°C、 1.0°C、 2.1°C)，開展了南亞熱帶森林土壤微生物碳代謝對(duì)長(zhǎng)期增溫的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制研究。研究發(fā)現(xiàn)，增溫10年后，微生物碳利用效率與溫度呈正相關(guān)，這與以往預(yù)期的碳利用效率隨溫度升高而下降的趨勢(shì)相反，說明微生物碳代謝在長(zhǎng)期增溫下發(fā)生了調(diào)整。這種轉(zhuǎn)變并非由微生物多樣性的變化以及底物碳有效性驅(qū)動(dòng)，而是由微生物群落向更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重組所致(圖)。這些網(wǎng)絡(luò)主要由生長(zhǎng)緩慢但高效的微生物(K策略微生物)組成，從而增強(qiáng)了微生物代謝的熱適應(yīng)能力。最終，微生物的呼吸作用和生長(zhǎng)恢復(fù)到與未升溫土壤相當(dāng)?shù)乃?，部分抵消了最初的碳損失。這與先前溫帶森林中的僅土壤增溫實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果不同。
該研究對(duì)于提高南亞熱帶森林土壤碳-氣候反饋預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性具有重要意義。盡管近年來(lái)微生物碳利用越來(lái)越多地被納入許多模型中，但它通常被限制在一個(gè)固定值或特定范圍內(nèi)，而不受微生物生理和生態(tài)過程的約束。該研究強(qiáng)調(diào)，地球系統(tǒng)模型需包含微生物相互作用的信息，以約束微生物碳利用效率隨增溫持續(xù)時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。然而需要注意的是，盡管研究表明亞熱帶森林土壤對(duì)增溫具有一定的自我緩沖能力，但這種能力并不是無(wú)限的。在更劇烈的增溫下，微生物的這種自我調(diào)整能力可能被削弱甚至喪失。因此，研究強(qiáng)調(diào)維持低碳排放的努力不能松懈。
該研究是對(duì)增溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)先前觀察到亞熱帶森林土壤有機(jī)碳對(duì)增溫的時(shí)間變異性響應(yīng)的進(jìn)一步機(jī)制驗(yàn)證(https://doi.org/10.1111/gcb.17072;https://www.cell.com/one-earth/abstract/S2590-3322(25)00291-X)。相關(guān)研究成果以”Robust microbial interactions, not diversity, dominate metabolic thermal adjustment following decadal warming in a subtropical forest”為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Science Advances(《科學(xué)進(jìn)展》，IF5-years=14.1)上。中國(guó)科學(xué)院華南植物園鼎湖山站博士后劉旭軍和周曙仡聃副研究員為論文的共同第一作者，閆俊華研究員、劉菊秀研究員和美國(guó)密歇根大學(xué)Peter B. Reich院士為共同通訊作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省科技計(jì)劃和中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持。
圖.長(zhǎng)期增溫下土壤微生物碳代謝熱調(diào)整的驅(qū)動(dòng)機(jī)制
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