碳中和是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個人在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實現(xiàn)正負抵消，達到相對“零排放”。土壤是溫室氣體的重要來源，并且土壤排放二氧化碳是一個微生物驅(qū)動的過程，它決定了響應(yīng)新鮮碳輸入的關(guān)鍵土壤-氣候反饋，了解微生物在土壤排放中的重要作用，會促進對在大陸尺度上介導(dǎo)土壤-氣候反饋的微生物機制的理解。
隨著國家“碳中和”、“碳達峰”計劃，碳排放的深度機制受到了更廣泛地關(guān)注，這次，我們將解讀一篇土壤微生物與土壤碳排放相關(guān)的文獻，或許能為科研工作者提供相應(yīng)思路。
2021年11月，西北大學(xué)在《Global Change Biology》發(fā)表題為“Microbial traits determine soil C emission in response to fresh carbon inputs in forests across biomes”的研究論文，該論文主要研究了（1）探索土壤啟動效應(yīng)的趨勢；（2）土壤微生物C分解基因如何以及為什么與土壤啟動效應(yīng)相關(guān)聯(lián)。
期刊：Global Change Biology研究背景
研究方法
采樣地點：表層土壤樣品采集自10塊森林，覆蓋3425公里森林，覆蓋中國冷溫帶、暖溫帶、亞熱帶和熱帶地區(qū)
主要研究結(jié)果
1. 土壤宏基因組的高分辨率變化和森林生物群落的啟動效應(yīng)
與對照相比，提供的葡萄糖誘導(dǎo)了土壤呼吸的增加，在森林生物群落中發(fā)生了積極的啟動效應(yīng)。總體而言，啟動效應(yīng)在亞熱帶森林土壤中較高，在冷溫帶森林土壤中較低，啟動效應(yīng)梯度很寬，范圍從0.39到8.76 mg Cg-1?SOC。
此外，從30個調(diào)查的土壤宏基因組中獲得了大約2541440888個讀取序列，并且在每個樣本中鑒定了72304392到103656100個序列?？傮w而言，細菌、真菌和古細菌的相對豐度隨著森林生物群落的變化而顯著變化（p?< 0.01），其中細菌占更大的百分比（平均 > 96%）。
對于細菌群落，變形菌門 (34.16%)、酸桿菌門 (23.07%)、放線菌門 (14.26%)、疣微菌門 (5.72%)、浮生菌門 (3.20%) 和擬桿菌門 (1.85%) 的相對豐度也顯著變化。森林生物群落（p?<0?.01）比其他微生物門具有更大的相對豐度，變形菌和擬桿菌在冷溫帶森林土壤中的含量顯著增加，而在熱帶和亞熱帶土壤中的含量較低（p?< 0.01），而酸桿菌的豐度在北方森林中顯著降低。NMDS進一步說明了不同森林生物群落中微生物分類組成的顯著差異（ANOSIM，R2?=0?.86，p?<0 .001）。定量PCR分析還表明，真菌和細菌的豐度在森林生物群落中發(fā)生了很大變化。特別是，豐度F:B比率在溫帶較高，但在熱帶森林生物群系較低。
對涉及C分解的基因變化的宏基因組進行篩選，包括與單糖、多糖、二糖、半纖維素、氨基糖、纖維素、幾丁質(zhì)、脂質(zhì)和木質(zhì)素加工系統(tǒng)相關(guān)的基因，結(jié)果表明：與不穩(wěn)定和穩(wěn)定C組分降解相關(guān)的功能基因的豐度因森林生物群落而異。在來自冷溫帶森林生物群落的土壤中觀察到參與穩(wěn)定C化合物（木質(zhì)素、脂質(zhì)和幾丁質(zhì)）分解的三個基因的豐度顯著更高，在低/中緯度地區(qū)（亞熱帶森林土壤）的土壤中，參與不穩(wěn)定C（單糖和氨基糖）分解的基因豐度顯著增加。
2.?啟動效應(yīng)變化的直接和間接驅(qū)動因素
PLS-PM分析用于建立啟動效應(yīng)和潛在預(yù)測因子之間的關(guān)系（圖1），發(fā)現(xiàn)氣候和初始土壤基質(zhì)（即 SOC、TN、C:N、不穩(wěn)定C、頑固C、烷基-C (A)、O-烷基-C (O)、A/O、芳香族C、羧基C 、羰基C、NH4+?和NO3?) 是引發(fā)效應(yīng)的主要驅(qū)動因素，并通過改變微生物特性來調(diào)節(jié)這種效應(yīng)。微生物功能基因通過它們對微生物分類的直接影響和改變微生物C-EEA（Hy-EEAs和Oy-EEAs）來確定啟動效應(yīng)。環(huán)境變量分析表明，即使在控制氣候、土壤環(huán)境（包括土壤性質(zhì)和土壤基質(zhì)）和微生物分類的情況下，微生物功能性狀也能解釋森林生物群落中土壤引發(fā)的大部分變異，土壤微生物性狀解釋的獨特變異是氣候的三倍，是微生物分類學(xué)的兩倍（圖 2）。
圖1 環(huán)境活力對累積啟動效應(yīng) (PE) 的影響 (a) PLS-PM有向圖 (b) VPA分析顯示氣候、土壤環(huán)境、微生物群落和C分解基因?qū)鄯e啟動效應(yīng)的相對貢獻
此外，回歸分析表明，參與這兩種單糖降解的功能基因（R =0 .2989，?p?= 0.0011) 和氨基糖 (R= 0.2270，p?= 0.0046) 與啟動效應(yīng)呈正相關(guān)，而靶向木質(zhì)素分解的基因 (R = 0.40225，?p?<0 .001) 和脂質(zhì) (R = 0.3613，?p?<0 .001) 與啟動效應(yīng)呈負相關(guān)（圖2）。特別是，啟動效應(yīng)與參與不穩(wěn)定C分解的功能基因的豐度呈正相關(guān)，如 bglX（淀粉和蔗糖代謝）、SORD（果糖和甘露糖代謝）和 lacI（L-鼠李糖代謝）。相比之下，啟動效應(yīng)與參與更穩(wěn)定C分解的基因豐度呈負相關(guān)，例如 ACO（芳香族化合物降解）和 ligB（脂質(zhì)）基因（圖3）。
圖2?累積啟動效應(yīng)與 （a-c）不穩(wěn)定C降解功能基因豐度 （d-i）穩(wěn)定C降解功能基因豐度之間的關(guān)系
圖3 預(yù)測基因在整個森林生物群系中的啟動效應(yīng) (a) 所選關(guān)鍵基因的變化（由與啟動效應(yīng)的顯著相關(guān)性表示：p?<0 .05），(b-d) 所選基因在森林生物群落中不穩(wěn)定C分解的分布 (e) 用于在森林生物群系中穩(wěn)定C分解的選定基因的分布
3. 基于宏基因組組裝的方法確定啟動效應(yīng)
在質(zhì)量評估之后，我們發(fā)現(xiàn)42個MAG 超過了完整性閾值，即完整性超過 70%，污染低于 10%（圖 4），在42個MAGs中，大量基因組包含上述與啟動效應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵基因，如ACO、bglX、ligB和glk。
對于分類學(xué)，42個MAG在門水平上代表了變形菌門（七個）、酸桿菌門（六個）、放線菌門（一個）和疣微菌門（一個）中的多種細菌門。在變形菌門中，Alphaproteobacteria綱（四個）和Rhizobiales目（兩個）是最豐富的。在酸桿菌中，Solibacteres綱（四個）和?Candidatus Solibacter usitatus?種（四個）代表更多。此外，基于系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，來自16S rRNA 系統(tǒng)型的五個未分類bin與相似的分類bin聚類。
圖4 分析42個高質(zhì)量的宏基因組組裝基因組 ?左圖 使用PhyloPhlAn構(gòu)建的最大似然系統(tǒng)發(fā)育樹 中圖 確定的引發(fā)效應(yīng)的關(guān)鍵基因的數(shù)量 右圖 每個森林生物群落中42個基因組的相對豐度的變化
小結(jié)
（2）確定了與大陸尺度森林生物群落土壤引發(fā)效應(yīng)相關(guān)的微生物功能基因；
（3）微生物特征在驅(qū)動方面比分類學(xué)更重要；
（4）促進了對與導(dǎo)致氣候變化的關(guān)鍵土壤過程相關(guān)的細菌物種的理解；
（5）微生物功能性狀可以調(diào)節(jié)土壤啟動效應(yīng)。
1. Zhu X, Jackson R D, DeLucia E H, et al. The soil microbial carbon pump: From conceptual insights to empirical assessments[J]. Global Change Biology, 2020, 26(11): 6032-6039.
2. Ren C, Wang J, Bastida F, et al. Microbial traits determine soil C emission in response to fresh carbon inputs in forests across biomes[J]. Global change biology, 2021.
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