只有少数常见的细菌占土壤中的大部分碳

细菌矿工过程土壤营养素

浮雕中显示的细菌“矿工”正在处理土壤养分,有些比其他的更有效。缓生根瘤菌是该研究中确定的三大营养处理器之一,在这里显示,它巩固了对葡萄糖添加的碳的控制,以工业效率处理营养(以斗轮挖掘机的形式)。资料来源:北亚利桑那大学生态系统科学与社会中心Victor O. Leshyk

只有少量在整个星球上发现的细菌分类群,负责土壤中的一半以上的碳循环。这些新的调查结果由亚利桑那州北部大学的研究人员发表并发表在自然通信本周的研究表明,尽管在野外土壤中发现了来自四个不同生态系统的微生物种类的多样性,但这些生态系统中只有三到六组常见的细菌是导致碳使用的主要原因。

土壤含有两倍的碳作为地球上的所有植被,因此预测如何将碳储存在土壤中并释放,因为CO2是理解未来气候动态的关键计算。研究团队包括来自太平洋西北国家实验室,劳伦斯·艾哈尔斯大学和西弗吉尼亚大学国家实验室的科学家,询问了这种关键细菌过程如何在地球系统和气候模型中占这些关键细菌过程。

“我们发现碳循环真正受到几组常见细菌的控制,”亚利桑那州北部大学生态系统科学与社会中心的博士线研究员德拉姆斯·斯通表示。“测序时代已经提供了令人难以置信的深入了解微生物世界多样化,”现在在太平洋西北国家实验室的石头说。“但我们的数据表明,当涉及到土壤呼吸等重要功能时,土壤界可能存在很多冗余。这是一些常见的丰富的演员,他们最有区别。“

那些细菌——Bradyrhizobium,抗酸杆菌RB41., 和链霉菌属-在利用现有土壤碳和添加到土壤中的养分方面,它们比稀有的同类品种更好。当添加碳和氮时,这些已经占主导地位的细菌谱系巩固了它们对营养物质的控制,相对于现有的其他种类,它们吞噬的更多,生长得更快。尽管研究人员发现了数千种独特的生物,以及数百种独特的属或物种集合(例如,犬属包括狼、郊狼和狗),但只需要6种就可以占到碳使用的50%以上,而且只有三种植物对富含养分的土壤中超过一半的碳使用负有责任。

使用标有特殊同位素的水,石头和他的团队测序DNA在土壤样本中发现,氧同位素以观察到哪个纳税纳入其DNA,这是一种表示生长的信号。这种称为定量稳定同位素探测(QSIP)的技术允许科学家追踪个体分类群水平的野生土壤中的细菌。然后该团队占每个分类的丰富,并建模了有效的细菌消耗土壤碳。包括分类学特异性,基因组大小和生长的模型预测了测量的二氧化碳的释放比仅在每种细菌组是多么丰富的模型中更准确地释放。它还表明,只有几个分类群产生了研究人员所观察到的大部分二氧化碳。

太平洋西北国家实验室微生物组科学团队负责人、该研究的合著者柯尔斯滕·霍夫莫克尔(Kirsten Hofmockel)说:“更好地了解个体有机体如何促进碳循环,对于管理土壤肥力和减少气候变化预测中的不确定性具有重要意义。”“这项研究梳理了土壤微生物的分类和功能多样性,要求我们以一种新的方式来考虑生物多样性。”

“这种技术揭示的微生物人口统计数据让我们提出更细微的问题,”石头说。“Where we used to characterize a microbial community by its dominant function, the way a whole state is often reported to have voted ‘for’ or ‘against’ a ballot proposition, now, with qSIP, we can see who is driving that larger pattern — the ‘election results,’ if you will — at the level of individual microbial neighborhoods, city blocks.

“通过这种方式,我们可以开始识别哪些土壤生物正在进行重要功能,如碳封存,并更接近地研究。”

参考:“营养导致巩固土壤碳通量小比例的细菌社区”Bram w·斯通,本杰明·j·科赫Junhui Li Steven j . Blazewicz麦克拉干草,保罗•迪杰斯特拉克尔斯滕·s . Hofmockel晓君艾伦·刘,丽贝卡·l·茂安贝m .莫Jennifer Pett-Ridge埃格伯特施瓦茨和布鲁斯·a·Hungate 2021年6月7日,自然通信
DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 23676 - x

本研究得到了美国能源部生物系统科学部基因组科学项目(No. DE-SC0016207和DE-SCSC0020172)和美国国家科学基金(No. de - sc0020172)的资助。deb - 1645596)。在美国能源部合同DE-AC52- 07NA27344的支持下,劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行的研究,通过SCW1679和SCW1590获得了美国能源部科学办公室的支持。太平洋西北国家实验室进行的研究得到了美国能源部科学办公室的支持,通过FWP 68907和FWP 74475,在能源部合同DE-AC05-76RL01830的支持下进行。

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