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植被群落长期演替过程中,生态系统普遍受养分限制,微生物群落代谢功能在生态系统物质循环中尤为关键。西南大学时伟宇教授团队联合国内外学者,在功能基因水平,将微生物群落功能纳入生态演替框架开展相关研究。其以亚热带长期典型植被群落演替序列为研究对象,利用宏基因组测序技术揭示了植被群落演替过程中系统性的磷限制对土壤微生物群落碳代谢潜力的抑制作用。
研究结果表明,植被演替过程中凋落物磷、土壤总磷、有效磷和微生物生物量磷含量均显著下降,这一变化导致土壤和凋落物中的碳/磷比率和氮/磷比率显著上升(图1)。在功能基因水平发现,参与磷循环的微生物功能基因受到磷缺乏的影响,其与磷吸收和运输、无机磷溶解、有机磷矿化及磷饥饿反应调节相关的基因丰度随演替时间显著增加(图2A)。但相关基因丰度与凋落物磷、土壤总磷、有效磷和微生物生物量磷含量呈显著负相关(图2B)。
基于斯普伦格尔-利比希最小法则(Sprengel-Liebig's Law of the Minimum)和N/P阈值假说(N/P Threshold Hypothesis),结合研究结果,可以证明磷是亚热带地区植被演替过程中的关键限制营养素;该研究深入揭示,磷限制抑制了微生物的碳代谢功能潜力(图3和图4),引发了参与植物/微生物源碳降解的基因丰度随演替时间显著下降(图5),导致微生物需通过增强木质素化合物的降解来获取凋落物中的磷资源(图6)。总体而言,土壤微生物群落中编码碳降解和磷循环的功能基因对植被演替过程中化学计量失衡的协同反应导致微生物阈值元素比率降低,从而抑制微生物的碳代谢潜力。该研究提供了功能基因水平的见解,阐明了植被演替过程中磷限制如何抑制土壤微生物碳代谢过程。该发现有助于增强我们对植被自然恢复过程中地下碳循环与微生物代谢反馈机制更深层次的理解。
图1 植被演替过程中凋落物磷、土壤总磷、有效磷和微生物生物量磷含量随演替时间序列的变化。
图2 土壤微生物参与不同磷循环过程的基因丰度随植被演替时间的变化以及和不同磷组分之间的关系。
图3 植被演替过程中不断变化的环境条件下,土壤微生物群落参与碳、氮和磷循环的基因及相关注释物种之间潜在的“碳-氮-磷”耦合过程。
图4 植被演替过程中介导土壤微生物群落参与碳、氮和磷循环功能演替的潜在驱动机制。
图5 CAZyme数据库中参与碳分解的基因组成和丰度随植被演替时间的变化。
图6 KEGG数据库中参与木质素降解、氧化应激反应及木质素衍生芳香化合物的分解代谢的基因组成和丰度随植被演替时间和凋落物木质素含量的变化。
以上研究成果以“Metagenomic insights into inhibition of soil microbial carbon metabolism by phosphorus limitation during vegetation succession”为题于10月23日在线发表在国际微生物生态学会会刊ISME communications。研究工作得到了国家自然科学基金、农业农村部神农英才计划、重庆英才-领军人才创新创业示范团队以及重庆市杰出青年科学基金等项目的联合资助。
原文链接:https://doi.org/10.1093/ismeco/ycae128