亚热带森林土壤中自养微生物的二氧化碳固定潜力及其代谢途径的垂直空间分布模式

《Applied Soil Ecology》：Vertical spatial patterns in CO 2-fixing potential and metabolic pathways of autotrophic microorganisms in subtropical forest soils

微生物CO?固定潜力在九宫山垂直森林土壤中的研究显示，其随土壤深度增加而降低，随海拔升高而增强。通过13C标记和元基因组分析发现，酸杆菌门和变形菌门主导CO?固定菌群，卡尔文循环和rTCA循环在垂直分布中呈现差异，土壤有机碳和养分是关键驱动因素。

　　

王新然|朱军|傅青玲|胡洪庆|黄巧云

中国华中农业大学资源与环境学院，农业孵化与农村事务部，长江中下游耕地保护重点实验室，武汉，430070

摘要

固碳微生物在森林土壤中的碳（C）封存中起着关键作用。然而，关于不同土壤深度和海拔高度下微生物固碳潜力的变化，以及其与微生物代谢功能（如功能基因和途径）和土壤性质的耦合关系，目前知之甚少。在这项研究中，我们使用¹³C-CO₂标记实验，调查了九公山三个海拔高度（600米、1200米、1500米）和三个土壤深度（0–15厘米、15–30厘米、30–45厘米）的土壤中的固碳潜力。通过宏基因组分析，我们鉴定出了关键的功能微生物及其相关的代谢途径。结果表明，固碳潜力范围为1.04至7.65毫克每千克，随着土壤深度的增加而减少，但随着海拔的升高而增加。酸杆菌（17.1%–22.1%）和变形菌（11.0%–21.2%）是固碳群落中占主导地位的两种细菌门类。垂直分布模式分析显示，卡尔文循环在表层和高海拔土壤中相对丰富，而rTCA循环在深层和低海拔土壤中更为普遍。土壤有机碳（SOC）含量的增加以及土壤养分的有效性直接改变了固碳微生物群落的组成，从而增强了关键代谢途径的丰度，最终提高了固碳潜力。这些发现强调了森林土壤剖面中微生物固碳能力的空间变异，并阐明了代谢途径在控制土壤碳封存中的关键作用，尽管需要注意的是，这些结果是在标准实验室条件下获得的。

引言

森林生态系统覆盖了全球大约三分之一的陆地面积，是最大的陆地碳（C）汇（Akinyede等人，2020年）。微生物在碳循环中起着基础性作用。特别是自养微生物通过光合作用或化能合成作用吸收CO₂，对此过程做出了重要贡献（Ge等人，2013年；Yuan等人，2012年）。据估计，固碳微生物每年封存约4.9拍克碳（Pg C），突显了它们在丰富土壤碳库中的关键作用（Yuan等人，2012年）。然而，目前关于土壤碳循环的研究主要集中在异养微生物的合成和分解过程上，而自养微生物对碳封存的贡献则被忽视了（Jansson和Hofmockel，2020年）。此外，尽管之前的碳固定研究主要集中在表层土壤上，但微生物固碳能力沿环境梯度的变化及其潜在机制仍不甚明了。阐明这些动态对于准确预测全球变化下的土壤碳储存动态至关重要。

能够进行CO₂固定的微生物主要属于古菌和细菌域（Saini等人，2011年），它们通过六条主要途径吸收CO₂：还原性戊糖磷酸循环（卡尔文循环）、还原性柠檬酸循环（rTCA循环）、3-羟基丙酸循环（3-HP循环）、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3-HP/4-HB循环）、二羧酸-羟基丁酸循环（DC/4-HB循环）和还原性乙酰-CoA途径（Wood-Ljungdahl途径）（Claassens等人，2016年；Huang等人，2022年）。其中，卡尔文循环在有氧环境中最为普遍，这主要归因于其关键酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RubisCO）的耐氧性（Selesi等人，2005年）。其标记基因的丰度与农业土壤中的CO₂固定速率呈正相关（Wu等人，2015年）。据报道，rTCA循环对CO₂固定的影响大于卡尔文循环（Liu等人，2018年），而Wood-Ljungdahl途径在贫营养环境中通常占主导地位（Nowak等人，2015年）。然而，途径丰度与实际固定速率之间的关系复杂且依赖于环境；例如，在青藏高原的高山草甸中观察到了负相关（Zhao等人，2018年）。尽管如此，关于这些多样途径在明显环境梯度（如垂直土壤剖面中的梯度）上的分布和运作方式，以及哪些因素最终决定了它们对碳封存的相对贡献，仍是一个关键问题。

许多土壤因素已知会影响微生物的固碳潜力（Guo等人，2015年；Yuan等人，2012年）。例如，研究表明，自养微生物的碳固定速率与SOC、溶解有机碳（DOC）和总氮（TN）的含量呈正相关（Liu等人，2018年）。此外，土壤pH值、养分有效性和水分含量是直接影响固碳微生物群落结构和活性的关键因素，同时也影响其关键功能基因的丰度（Long等人，2015年；Zhao等人，2018年）。土壤微环境内的变化，包括不同土壤层和周围CO₂浓度的差异，也会影响自养固碳微生物群落的多样性和活性。一个明显的例子是随着土壤深度的增加，cbbL基因的丰度减少（Ball等人，2009年）。尽管已有这些已知关系，但碳固定潜力空间变异的机制驱动因素，尤其是垂直森林土壤剖面中微生物群落的功能动态，仍不完全清楚。

在这项研究中，我们对沿海拔梯度和不同土壤深度采集的土壤进行了¹³CO₂标记实验和宏基因组测序。我们的目标是（1）量化垂直森林区域中微生物的碳固定潜力；（2）表征功能群落和关键代谢途径；（3）确定影响其垂直变化的主要因素。我们假设在不同海拔高度下，表层土壤中的微生物固碳潜力总是高于底层土壤，这与较高的SOC和养分有效性支持的更多固碳基因和途径有关。此外，我们假设固碳途径的相对优势会随海拔变化而变化，在较低海拔处卡尔文循环占主导地位，而在较高海拔处，由于土壤物理化学条件的变化，还原性Wood-Ljungdahl途径或其他化能自养途径会变得更加突出。

研究地点描述和土壤样本采集

该研究在湖北省九公山（29°19′-29°26′N，114°27′-114°43′E）进行，该地区具有亚热带季风气候，年平均温度为20°C，降水量为1681毫米。为了捕捉海拔梯度，在海平面以上600米、1200米和1500米处设立了采样点。这些海拔的土壤分别被归类为Ultisols、Alfisols和Inceptisols（美国农业部土壤分类系统），主要植被为竹子。

微生物固碳潜力

为了在所有样本之间进行可控比较，我们采用了统一的实验室条件：将空气干燥的土壤重新湿润至60%的持水能力，并在25°C下进行12小时光照/黑暗循环的¹³C-CO₂标记实验。需要注意的是，这种光照条件与地下土壤群落所处的永久黑暗环境有显著差异。这种实验室条件可能会刺激

森林土壤中固碳途径和微生物的垂直区域差异

根据宏基因组学分析，本研究检测到了八种固碳途径。不同土壤深度下的微生物碳固定途径也存在显著差异。深层土壤中的rTCA循环丰度高于表层土壤，而卡尔文循环的潜力在表层土壤中更高（图2，表S2）。通常，所采用的固碳途径取决于三磷酸腺苷（ATP）（Claassens等人，2016年；Song等人，2025年）。

结论

森林土壤中微生物的固碳潜力表现出明显的垂直和海拔分带性，随着土壤深度的增加而减少，但在较高海拔处增加。关键功能基因的宏基因组分析揭示了固碳途径的栖息地偏好。卡尔文循环在表层和高海拔土壤（0–15厘米，1500米）中相对丰富，而rTCA循环在深层和低海拔土壤（30–45厘米，600米）中更为普遍。

CRediT作者贡献声明

王新然：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，调查，正式分析，数据管理。朱军：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源，方法学，资金获取，概念化。傅青玲：资源，方法学。胡洪庆：资源，方法学。黄巧云：资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢中国自然科学基金（资助编号：42277300）对这项研究的财政支持。