短期变暖实验表明北极泥炭土壤微生物群落结构变化和功能之间相对独立

2021-08-27 发布 shijz

环北极多年冻土区中储存着大量有机碳,约为当前大气中碳储量的二倍。全球变暖背景下,北极地区多年冻土升温和退化加快。多年冻土退化过程中有机碳被微生物分解后以温室气体的形式排放至大气中,从而进一步加剧气候变暖。在冻土碳反馈过程中,微生物的群落结构和功能对升温的响应特征和规律对评估多年冻土区碳排放的影响具有重要意义。尽管已有一些研究探讨了微生物对温度或温度梯度的响应特征,但微生物群落中物种丰度与温度相关关系的评估还存在不确定性。

针对上述问题,冰冻圈科学国家重点实验室藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站杨思忠副研究员和挪威北极大学合作者在北极泥炭土壤地区联合开展了一项模拟实验,该实验多年冻土样本在培养前做均一化处理以使初始群落结构相近,然后在1-30℃范围内,梯度为1℃的30个温度条件下做厌氧培养。通过扩增子测序、CO2和CH4排放速率测定,并综合分析前期的宏基因组和宏转录组数据,结果表明:微生物群落对升温呈现非随机变化,但并未展现明显的敛散性/单调性特征(图1)。群落结构组成、活性功能类群(基于mRNA)以及功能潜力(基于宏基因组和PICRUST功能预测)三者之间相对独立,微生物群落结构变化并不能有效指示功能潜力变化趋势。随着温度升高,该研究观察到物种多样性(香农指数)逐渐下降,温室气体生产速率的离散程度增大(图2,3),这可能与物种多样性下降引发的种间互补和竞争关系失衡有关。

该成果以 “Decoupling of microbial community dynamics and functions in Arctic peat soil exposed to short term warming”为题发表于中科院一区TOP期刊Molecular Ecology,杨思忠副研究员为论文第一作者和通讯作者。该研究获德国教育科研部、亥姆霍兹基金、中科院百人计划和国家重点研发计划(2020YFA0608501)联合资助。

论文链接:https://doi.org/10.1111/mec.16118

图1温度梯度下主要建群细菌的相对丰度变化特征

2  物种多样性与温度的相关性分析

3 温室气体CH4和CO2排放速率与升温正相关,但随温度升高排放速率的离差增大