[科研前線丨EGM-5]人為變暖條件下北極土壤細(xì)菌群落的最適生長溫度升高
溫度和土壤微生物過程（如生長和呼吸）速率之間的功能關(guān)系，在不同地理區(qū)域之間存在顯著差異。溫度響應(yīng)和原位溫度之間的這種相關(guān)性被稱為溫度適應(yīng)。未來北極的氣候變暖可能會增加土壤碳儲量對微生物分解的脆弱性。然而，目前還不確定在氣候變暖的北極地區(qū)，分解速率會發(fā)生多大程度的變化，因為長期的土壤變暖可能會導(dǎo)致細(xì)菌群落的溫度適應(yīng)。
為了探究當(dāng)北極土壤暴露在實驗性氣候變暖環(huán)境中時，土壤細(xì)菌群落是否會發(fā)生溫度適應(yīng)，荷蘭阿姆斯特丹生命與環(huán)境研究所James T. Weedon團隊對來自從亞北極到高北極的4個不同研究地點的8種土壤進行了孵化實驗，探究孵化溫度對北極土壤細(xì)菌群落的溫度-生長關(guān)系和群落組成的影響。研究結(jié)果“Optimal growth temperature of Arctic soil bacterial communities increases under experimental warming”發(fā)表在Global Change Biology（IF=13.211）雜志上。
表1 初始土壤的土壤特征
作者使用美國PP Systems公司生產(chǎn)的便攜式土壤碳通量測定系統(tǒng)EGM-5測定了樣品的土壤呼吸速率。研究發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸速率隨著孵化溫度的升高而增加，且在8種土壤類型之間存在差異，在10°C下變化范圍為0.25~2μg?1g?1day。在0℃和30℃培養(yǎng)的土壤中，100天后產(chǎn)生的二氧化碳累積量的變化系數(shù)為14-69，這取決于土壤類型（圖1）。在C15中，不同土壤類型的最小和最大累積呼吸之間的差異減少到1.44~2.99倍。孵化溫度與C15內(nèi)產(chǎn)生的CO2累積量之間存在微弱的相關(guān)性（圖1），但當(dāng)排除0°C下的土壤時，這種相關(guān)性不再顯著。
圖1在0-30°C之間培養(yǎng)的8個北極和亞北極地點土壤樣本中測量的平均累積呼吸(μg CO2g?1soil)。T100：100天孵化后的累積呼吸；C15：在選定的時間點確定的累積呼吸，使呼吸量大致等于在30°C下孵化的樣品15天后的累積呼吸量
細(xì)菌群落的溫度-生長關(guān)系受到孵化溫度的影響。Topt（最佳生長溫度）隨著孵化溫度的升高呈線性增加趨勢（圖2）。與C15樣品相比，T100樣品的Topt增長明顯更快，孵化溫度每升高1°C分別增加0.27°C±0.039（SE）和0.07±0.028°C。在T100中，生長溫度范圍（Tmax?Tmin）每°C的孵化溫度增加了0.14°C，但在C15中，生長溫度范圍在整個孵化梯度上沒有顯著差異。然而，從0到30°C，T100溫度下的微生物生長率顯著下降了36.2%?？傮w而言，溫度和采樣力矩都會影響Topt和Tmax，而Tmin沒有顯著變化，導(dǎo)致了更廣泛的溫度生長范圍（表2）。
圖2 溫度-生長函數(shù)估計參數(shù)（上面板：理論最低生長溫度Tmin；下面板：理論最佳生長溫度Topt)與土壤孵化溫度之間的關(guān)系。表2溫度-生長關(guān)系參數(shù)的回歸結(jié)果
同時，本研究還發(fā)現(xiàn)孵化溫度影響了T100和C15兩個采樣時刻的細(xì)菌群落組成，8種土壤類型中有6種表現(xiàn)出土壤細(xì)菌群落組成隨孵化溫度的顯著變化（圖3a）。
圖3 細(xì)菌群落沿培養(yǎng)溫度梯度的動態(tài)變化
雖然總體細(xì)菌群落組成沿孵化梯度發(fā)生了顯著變化，但在門或科水平上，土壤中的豐度沒有顯示出明確的分類模式，缺乏常見的溫度響應(yīng)物種（圖4）。
圖4 細(xì)菌擴增子序列變體（ASVs）的差異豐度分析，以每攝氏度孵化溫度的對數(shù)倍差顯示（點的顏色）。
北極土壤細(xì)菌群落在人為變暖條件下的溫度適應(yīng)表明，微生物對全球變暖的反應(yīng)可能會影響北極陸地地區(qū)的碳循環(huán)。然而，將溫度適應(yīng)與特定物種聯(lián)系起來仍然是一個挑戰(zhàn)，這些物種可以作為生物指標(biāo)來理解和預(yù)測土壤群落溫度適應(yīng)的功能影響。此外，我們建議將溫度-生長關(guān)系的變化納入地球系統(tǒng)模型，以評估其對土壤碳循環(huán)的潛在影響程度。
