长期增温通过调控微生物群落降低根系分泌物引发的激发效应

《The ISME Journal》：Warming mitigates root exudate-induced priming effects via changes to microbial biomass, community structure, and gene abundance

本研究针对气候变暖如何通过改变土壤微生物调控根系分泌物对土壤有机碳(SOM)的激发效应这一关键问题，通过长期增温试验结合13C标记人工根系分泌物添加，发现长期增温虽不影响分泌物形成矿物结合有机碳(MAOM)，但显著降低了由分泌物诱导的土壤碳损失（即激发效应）。DNA稳定性同位素探测(SIP)与宏基因组学分析表明，增温改变了消耗分泌物的细菌群落结构及其功能基因丰度，从而削弱了激发效应，这对预测全球变暖背景下土壤碳库动态具有重要意义。

　　

在全球气候变暖的背景下，土壤作为巨大的碳库，其碳收支平衡对大气二氧化碳(CO₂)浓度有着深远影响。植物根系向土壤中释放的低分子量碳化合物，即根系分泌物，是土壤碳输入的重要途径，但同时也可能刺激微生物加速分解原有的土壤有机质，导致土壤碳净损失，这种现象被称为“激发效应”（Priming Effect）。气候变暖既可能改变植物根系分泌物的速率，又可能直接改变土壤微生物群落的活性和组成，那么，增温最终会如何影响根系分泌物对土壤碳库的净效应？是加剧碳损失，还是促进碳固定？这个问题是当前全球变化生态学研究的焦点之一。为了回答这个问题，由Nikhil R Chari等人组成的研究团队，利用在美国哈佛森林进行了长达20年的土壤增温实验平台，设计了一项精巧的室内培养实验，其研究成果发表在《The ISME Journal》上。

研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：从长期增温(+5°C)与对照的森林地块采集原位土壤核心；使用¹³C标记的人工根系分泌物（琥珀酸与葡萄糖按质量比4:1混合）通过模拟根系进行连续添加；采用DNA稳定性同位素探测(DNA-SIP)技术分离消耗分泌物¹³C的微生物DNA（重组分）与未消耗的DNA（轻组分）；对DNA样本进行16S rRNA基因扩增子测序以分析细菌群落结构，并进行鸟枪法宏基因组测序以分析功能基因（如酶 commission (EC)基因家族和碳水化合物活性酶(CAZyme)基因）的相对丰度；同时监测了土壤CO₂通量、孔隙水碳与铝(Al)含量、矿物结合有机碳(MAOM)的形成与净变化等关键生物地球化学指标。

土壤碳形成与损失对根系分泌物和增温的响应

研究人员通过追踪¹³C标记的分泌物在土壤矿物结合有机碳(MAOM)中的去向，发现更高的分泌物添加速率导致了更多的MAOM碳形成，但长期土壤增温对此没有显著影响。这表明，增温并未改变微生物对分泌物的同化周转速率或矿物表面对新碳的吸附能力。然而，在土壤碳损失方面，情况则不同。孔隙水碳（作为激发效应导致土壤碳损失的指标）随着分泌物添加速率的增加而显著增加，但这种增加效应在增温土壤中被显著削弱了。增温土壤的孔隙水碳含量始终低于未增温土壤。此外，增温土壤在整个实验期间矿物结合有机碳的净损失量也小于未增温土壤。这些结果一致表明，根系分泌物确实诱导了土壤碳的激发效应，但长期增温减弱了这种效应。

土壤细菌群落的改变

研究团队利用DNA-SIP技术，成功地将消耗了¹³C标记分泌物的微生物（重组分）与未消耗的微生物（轻组分）分离开。分析发现，无论是长期增温，还是微生物是否消耗分泌物碳，都显著改变了细菌群落的组成。在门水平上，增温导致酸杆菌门(Acidobacteriota)相对丰度下降，而疣微菌门(Verrucomicrobiota)和放线菌门(Actinobacteriota)等的丰度上升。更重要的是，消耗分泌物碳的微生物群落（重组分）与未消耗的群落（轻组分及无添加对照）在分类组成上存在显著差异，其中变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门在重组分中显著富集，而酸杆菌门和疣微菌门的丰度则相对降低。这表明，有一类特定的、能够快速利用简单碳源的细菌类群在驱动激发效应中扮演了重要角色。

微生物基因丰度的变化

从宏基因组测序数据中，研究人员发现，增温和消耗分泌物碳都提高了微生物酶 commission (EC)基因家族的整体相对丰度，意味着在这些条件下微生物的潜在酶活性增强了。然而，与土壤有机质分解密切相关的碳水化合物活性酶(CAZyme)基因的丰度并未受到增温或分泌物添加的显著影响。尽管如此，增温和分泌物碳的消耗都独立地改变了CAZyme ECs以及整体ECs的组成结构。这说明，激发效应可能并非由CAZyme基因的丰度直接介导，而是与其转录、翻译后的酶活性或其他代谢途径有关。

微生物群落与激发效应的关联性证据

最关键的发现在于，细菌群落的详细分类单元(ASV)组成与孔隙水碳含量（激发效应指标）在未增温土壤中存在着强烈的相关性，但这种关系在增温土壤中消失了。同样，通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)识别出的一个与孔隙水碳含量高度相关的基因模块（包含67个独特的ECs），其相关性也仅在未增温土壤的样本中显著，在增温土壤中则不成立。而且，这种关联性在消耗了分泌物碳的微生物（重组分）中更为突出。这强有力地表明，在未增温条件下，那些专门利用根系分泌物碳的微生物，其特定的群落结构和功能基因表达是驱动激发效应的关键；而长期增温通过改变这些微生物变量，瓦解了这种驱动作用，从而导致激发效应的减弱。对这67个关键ECs的功能分析显示，它们涉及多种代谢途径，包括氨基酸（如半胱氨酸和蛋氨酸）代谢、肌醇磷酸代谢、甲烷代谢等，暗示了养分获取（如氮挖掘）可能在细胞水平上参与了激发效应的引发。

本研究得出结论：长期土壤增温通过改变土壤微生物生物量、细菌群落结构以及功能基因的组成，降低了根系分泌物诱导的土壤有机质分解（即激发效应）。尽管增温不影响根系分泌物形成新的土壤碳，但它减少了由分泌物引起的原有土壤碳的损失。这一发现揭示了土壤微生物在调节气候变暖与土壤碳循环反馈关系中的关键作用。长期增温可能通过降低土壤有机质质量（如更高的C:N比）和筛选出功能特性改变的微生物群落，削弱了微生物利用新鲜碳源去分解顽固土壤碳库的能力。这意味着，在未来气候变暖的情景下，土壤碳库对大气CO₂浓度的正反馈（即升温导致更多碳释放）可能会因为激发效应的减弱而得到一定程度的缓冲。然而，需要指出的是，这种缓冲作用可能不足以完全抵消增温直接促进的土壤呼吸作用，因为该长期增温实验地的土壤碳储量总体上是下降的。这项研究为理解全球变化下地下生态过程的复杂性提供了新的重要见解。