黃懿梅教授團(tuán)隊(duì)在土壤固碳微生物對(duì)有機(jī)碳固定貢獻(xiàn)機(jī)制研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

固碳微生物每年可在陸地生態(tài)系統(tǒng)中固定高達(dá)4.9 Pg C，尤其在植被生長(zhǎng)受到低降水限制的地區(qū)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，半干旱草地固碳微生物的碳固定尚未得到充分的研究，控制這一過程的影響因素尚不清楚。

近期，黃懿梅教授研究組以黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過13C標(biāo)記、基于宏基因組學(xué)的代謝途徑和微生物群落分析，揭示了固碳微生物的代謝途徑?jīng)Q定了沿降水梯度草地土壤固碳速率的變化，闡明了土壤碳循環(huán)中微生物同化CO2增加土壤有機(jī)碳過程中的新機(jī)制。研究成果以“Metabolic pathways of CO2 fixing microorganisms determined C-fixation rates in grassland soils along the precipitation gradient”為題發(fā)表在土壤科學(xué)領(lǐng)域著名期刊Soil Biology and Biochemistry 。博士研究生黃倩為論文第一作者，黃懿梅教授和水土保持研究所安韶山研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（41877074和 42077072）等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

研究表明，CO2固定速率隨降水增加而增加，標(biāo)志固碳類群和主要的CO2固定途徑隨降水梯度變化顯著。在400 - 600 mm的年平均降水(MAP)條件下，還原檸檬酸循環(huán)（rTCA cycle）和3-羥基丙酸循環(huán)（3-HP cycle）主導(dǎo)微生物CO2固定過程，在< 400 mm MAP條件下，卡爾文循環(huán)（Calvin cycle）為主導(dǎo)（圖1）。

圖 1 固碳微生物固定CO2貢獻(xiàn)于土壤有機(jī)碳的過程框架圖

在MAP驅(qū)動(dòng)下，CO2固定途徑中的關(guān)鍵基因豐度變化促進(jìn)了土壤微生物C積累（圖2）。如參與rTCA循環(huán)、3-HP循環(huán)的KorA/B、nifJ、sdhA、accC/A/D基因的相對(duì)豐度隨降水梯度的增加而增加，而與Calvin循環(huán)相關(guān)的prkB、rbcL基因豐度呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。這些關(guān)鍵基因與固碳量的關(guān)系表現(xiàn)出與整體途徑一致的規(guī)律，表明微生物在CO2固定代謝途徑中特異基因（如cbbL、KorA/B）的豐度為觀察到的大氣CO2固定提供了良好的證據(jù)。

圖 2 優(yōu)勢(shì)固碳途徑、碳固定基因和固碳量（13Csoc）的關(guān)系

偏最小二乘路徑模型分析表明，73%的13Csoc量變化可由所選的土壤養(yǎng)分、群落結(jié)構(gòu)和代謝途徑的基因豐度解釋（圖3）。影響固碳微生物群落（CFMs）固定CO2的過程主要有兩個(gè)：1）年平均降水量（MAP）通過改變土壤養(yǎng)分影響CFMs群落組成，進(jìn)而影響CO2固定；2） MAP對(duì)與C固定相關(guān)的代謝通路的豐度有直接的正向影響。綜上所述，微生物CO2固定是半干旱草地土壤C積累的重要過程，固碳微生物代謝途徑?jīng)Q定了固碳速率的大小，研究結(jié)果為認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)土壤的“碳匯”功能、調(diào)控和增加土壤有機(jī)碳封存以緩解全球氣候變化提供了新見解。

圖 3 影響固碳微生物固定CO2的因素

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071722002218

                                                                                                                                                                       編輯：趙杰

                                                                                                                                                                       終審：李志