聶明團(tuán)隊(duì)在濕地碳過(guò)程方面取得重要進(jìn)展
近日，復(fù)旦大學(xué)生科院聶明團(tuán)隊(duì)在全球變化生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以《土壤微生物產(chǎn)甲烷的熱響應(yīng)強(qiáng)度隨溫度的變化而減小》（The thermal response of soil microbial methanogenesis decreases in magnitude with changing temperature）為題發(fā)表于《Nature Communications》（自然通訊）。
厭氧土壤微生物的甲烷（CH4）生產(chǎn)是全球CH4排放的重要來(lái)源。理解產(chǎn)CH4微生物對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)對(duì)于預(yù)測(cè)土壤溫室氣體排放-氣候反饋至關(guān)重要。大量的研究表明，好氧土壤微生物能夠適應(yīng)環(huán)境溫度變化，削弱長(zhǎng)期增溫對(duì)土壤呼吸的刺激作用。厭氧土壤中的產(chǎn)甲烷微生物是否也具有類似的熱適應(yīng)能力，目前仍知之甚少。
圖 1 微生物熱適應(yīng)的理論假設(shè)（a）及研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（b）
土壤碳分解的熱適應(yīng)性實(shí)質(zhì)上是土壤微生物功能在群落尺度上對(duì)環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性，即氣候變暖后土壤微生物主動(dòng)降低生理活性以提高其在高溫環(huán)境中的適宜度，從而減緩表觀土壤碳分解速率。作為一種生理補(bǔ)償響應(yīng)，微生物的熱適應(yīng)性必須可逆，即在持續(xù)增溫后代謝活性降低，而在持續(xù)降溫后代謝活性上升（圖 1a）。為此，該研究選取兩類典型的濕地土壤為研究材料，通過(guò)室內(nèi)長(zhǎng)期增溫和降溫培養(yǎng)，探索溫度變化對(duì)土壤微生物產(chǎn)CH4過(guò)程的影響（圖1 b），并分析其與產(chǎn)CH4微生物群落動(dòng)態(tài)的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)CH4微生物的代謝活性在長(zhǎng)期增溫后降低而在長(zhǎng)期降溫后增強(qiáng)（圖2），這種補(bǔ)償性熱響應(yīng)表明土壤微生物的產(chǎn)甲烷過(guò)程能夠適應(yīng)環(huán)境溫度變化。
在增溫與降溫處理下，產(chǎn)甲烷微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變（圖3a）。但在兩類濕地土壤中，占優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)甲烷古菌對(duì)溫度變化的響應(yīng)并不一致（圖3b）。這表明具體某類產(chǎn)甲烷菌相對(duì)豐度的改變并不能解釋產(chǎn)甲烷微生物群落的熱適應(yīng)性。為了進(jìn)一步理解群落物種組成變化（species turnover）是否影響產(chǎn)甲烷微生物的熱適應(yīng)性，通過(guò)線性混合效應(yīng)模型分析了增溫和降溫處理下產(chǎn)甲烷微生物熱適應(yīng)能力與其群落β多樣性的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷菌群落組成的變化程度與其熱適應(yīng)能力呈顯著正相關(guān)（圖 4）。這些發(fā)現(xiàn)表明，在環(huán)境溫度變化過(guò)程中，產(chǎn)甲烷微生物能夠通過(guò)改變?nèi)郝浣M成，削弱溫度變化對(duì)其CH4呼吸的影響。
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圖 3 產(chǎn)甲烷微生物群落的變化
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圖 4 產(chǎn)甲烷微生物的熱適應(yīng)能力與其群落結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系
該研究基于溫度對(duì)生物代謝的基本影響，首次從生物的熱適應(yīng)性視角，探討了厭氧土壤產(chǎn)甲烷微生物對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)微生物產(chǎn)甲烷過(guò)程存在熱適應(yīng)性。結(jié)合先前報(bào)道的好氧土壤微生物的熱適應(yīng)性，該發(fā)現(xiàn)意味著在好氧和厭氧土壤中微生物代謝對(duì)環(huán)境溫度的生理補(bǔ)償響應(yīng)普遍存在。此外，該研究還強(qiáng)調(diào)群落的動(dòng)態(tài)變化在產(chǎn)甲烷微生物的熱適應(yīng)中發(fā)揮重要作用。更為重要的是，產(chǎn)甲烷微生物熱適應(yīng)性的發(fā)現(xiàn)意味著未來(lái)氣候變暖對(duì)濕地土壤CH4排放的刺激作用可能低于當(dāng)前的預(yù)測(cè)強(qiáng)度，這將對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)大氣CH4濃度的變化產(chǎn)生深刻影響。
該文第一作者為陳鴻洋博士后。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19549-4
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