028-8525-3068
新闻动态 News
News 行业新闻

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

日期: 2023-08-14
标签:

文献解读   


原名:Divergent accumulation of microbial necromass and plant lignin components in grassland soils

译名:草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

期刊:Nature Communications

IF:16.6

发表时间:2018

第一作者:Tian Ma

摘要

微生物和植物是如何促进土壤有机碳(SOC)积累的?为此,我们使用氨基糖和木质素酚分别作为微生物坏死物质和植物木质素成分的示踪剂,并与世界其他草原土壤的已发表数据进行比较,研究它们在蒙古草原表层土壤中的分布。在所有考察的草原土壤中,木质素酚类会减少,而氨基糖则会随着 SOC 含量的增加而增加,这为微生物残体在 SOC 积累中的关键作用提供了大陆尺度的证据。此外,与细粒土壤中粘土对氨基糖积累的控制不同,蒙古粗粒土壤中干旱对氨基糖积累和木质素分解起着核心作用。因此,干旱度的变化可能会对不同质地的草原土壤中微生物介导的 SOC 积累产生不同的影响。

研究背景

大部分有机碳的周转是比较缓慢的,从百年到千年。微生物和植物如何促进这些土壤有机碳库的形成和积累,是与土壤碳动态和对全球变化的响应有关的一个基本问题,也是一个备受争议的问。传统上,木质素等植物结构化合物因其化学难降解性和在腐烂废弃物中的积累而被认为是缓慢循环的 SOC 的主要贡献者。然而,越来越多的证据表明,木质素主要作为植物碎屑存在于颗粒中,而不是保存在矿质土壤中,在矿质土壤和老土组分中的含量也相对较少,这表明木质素在 SOC 积累中的作用可能并不像以前认为的那样重要。

目前的共识是,在缓慢循环的 SOC 的积累过程中,微生物产生的碳发挥着更重要的作用。随着植物凋落物的腐烂,土壤微生物会将可用碳转化为微生物残体或微生物加工的化合物以及自身的生物量。由于微生物倾向于附着在表面上,因而微生物残留物会积聚在与矿物质相关的土壤组分上。微生物生物量的周转速度很快,只占 SOC 的很小一部分,然而微生物残体则被认为是相对稳定的 ,并且随着群落的反复更替而在土壤中累积。这一过程包含在海洋研究人者最初提出的微生物碳泵中,也被认为是土壤中有机碳持久存在的关键机制。然而,由于分析工具有限,无法将自然土壤中微生物产生的碳与植物产生的碳区分开来,这一机制至今尚未在景观尺度上得到验证。人们对环境中微生物衍生和植物衍生成分保存的控制或微生物固存 SOC 的最佳条件知之甚少。填补这些知识空白不仅有助于理解 SOC 在全球变化下的周转,还能为开发包含微生物过程的土壤碳模型提供概念指导。

因此,我们利用两种广为接受的生物标记物(即氨基糖和木质素酚)来分别示踪微生物死亡物质和植物木质素组分。我们比较了它们在蒙古草原两个大规模横断面上 38说个重复地点表层土壤(0-10 厘米)中的分布情况(共涉及 113 个氨基酸糖和 39个木质素酚样本),并对不同草地上的典型植被进行了木质素分析。为了补充风化不良、质地粗糙的蒙古土壤的数据集,我们使用类似分析方法测定并进一步汇编了其他地方草原表层土壤(0-10 厘米)中氨基糖和木质素酚的所有已发表数据(包括分别为 54 和 70 个氨基糖和木质素酚浓度数据)。通过类似环境变量的统计分析,我们比较了蒙古草原中这两种生物标志物积累的调节机制,并比较了蒙古粗粒土壤与其他地方细粒草原土壤中环境对氨基糖积累的影响。通过这种方法,我们可以评估草原土壤中微生物坏死物与植物木质素组成的大规模分布和保存情况,其环境梯度范围之大前所未有。总之,我们证明了在所有考察过的草原土壤中,氨基糖而非木质素酚与 SOC 的耦合变化,并强调了与细粒度土壤相比,蒙古粗粒度土壤中干旱对氨基糖累积和木质素分解的关键作用。我们的研究结果为微生物坏死物质在SOC积累中的关键作用提供了概念性证据,并表明在不同质地的草原土壤中,干旱度的变化可能会对微生物介导的 SOC 积累产生不同的影响。

主要结论

1、氨基糖和木质素的分布

在蒙古草原表层土壤中(图1a),氨基糖的归一化浓度为 21-158 mg/g SOC(图1b),其中以氨基葡萄糖为主,这与文献数据中其他地方草地表层土壤中浓度范围类似。相比之下,木质素酚占 SOC 的比例较小(4-60 mg/g SOC;图1c),这也与文献数据一致。值得注意的是,氨基糖和木质素酚在蒙古横断面上的分布模式截然不同(图1b、c)。与其他植被类型的土壤相比,干旱荒漠土壤中木质素酚的浓度更高,而单位SOC中氨基酸糖的含量较低(p < 0.05)。这种差异与不同覆盖地点的植被的化学成分无关,因为在不同植被类型的重叠植物中,单位有机碳的有机碳氮比和木质素含量都没有差异。木质素酚与克拉松木质素的比值从 0.06 到 0.30 不等,在不同植被类型中也没有差异(p > 0.05;图2a)。因此,各横断面木质素大分子中木质素酚的产量具有可比性。此外,木质素酚和氨基糖虽然没有显著的相关性(p > 0.05),可能是由于其他 SOC 成分(如草原土壤中普遍存在的黑碳)的变化造成的,但这两种生物标志物的 SOC 归一化浓度与蒙古草原表层土壤以及所有草地的 SOC 含量显示出相反的相关性(图 3);氨基糖随着木质素酚的增加而增加,但木质素酚的增加与 SOC 含量的增加之间没有显著的相关性(p > 0.05,图 3),氨基糖随 SOC 浓度的增加而增加(n = 91;p < 0.05),木质素酚则随之减少(n = 84;p < 0.05)。

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图1 采样点和生物标志物浓度。(a)蒙古草原采样点的空间分布(b)氨基糖归一化浓度(c)木质素酚浓度

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图2 蒙古草原覆盖植被中木质素的浓度和组成。(a)木质素酚类和克拉森木质素的标准化浓度以及其比值(b)V单体和S单体的比值

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图3 生物标志物浓度与土壤有机碳(SOC)含量的相关性。(a)氨基糖浓度和SOC的相关性 (b)木质素酚浓度和SOC的相关性


木质素降解可通过香草基酚(V)和丁香酚(S)的酸醛比值Ad/Al来进一步评估,通常Ad/Al会随着木质素氧化程度的增加而增加。与蒙古横断面上的其他植被类型相比,草甸草原上覆植物的地上生物量显示出较低的(Ad/Al)s 值,相似的(Ad/Al)v 值(图2b),而所有植被类型的地下生物量具有相似的 Ad/Al比值(p > 0.05)。相比之下,非草甸草原沙漠土壤的(Ad/Al)s 比值低于所有其他土壤(p < 0.05)。此外,在蒙古土壤中,随着 SOC 含量的增加和木质素酚浓度的降低,Ad/Al 比值都会增加(p < 0.05;图 4),这证实了在 SOC含量较低和木质素酚浓度较高的土壤中,木质素氧化阶段较低。

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图4 蒙古草原土壤中木质素的酸醛比值的变化(a)(c) V和S的酸醛比值和SOC的相关性(b)(d)V和S的酸醛比值和木质素酚浓度的相关性


2、环境因子对蒙古土壤的影响

根据结构方程,在整个蒙古草原上,干旱指数而非土壤特性对这两种生物标志物的浓度有直接和主要的影响,分别解释了氨基酸糖19.7% 和木质素酚40.9%  的变化,尽管方向相反(图 5a,b)。随着干旱指数的增加,氨基糖增加(表明干旱程度降低),木质素酚则减少(p < 0.05)。多重逐步回归分析(其中干旱度指数是模型中唯一保留的变量)和偏相关分析证实了干旱度的主要影响:在考虑干旱度指数的影响后,所有变量都不会对两种生物标记物的浓度产生任何影响(p > 0.05)。相反,在考虑了其他变量(除 SOC 和氨基糖的 N 外)的影响后,干旱指数与这两种生物标志物仍有明显的相关性(p < 0.05)。此外,干旱对土壤中木质素酚分布的影响与覆盖植被中的木质素酚丰度无关,后者与干旱指数没有相关性(p > 0.05)。

为了进一步证实干旱对木质素降解的控制作用,我们使用多元逐步回归分析法研究了环境对蒙古土壤中 Ad/Al比值的影响。植物生物量中的(Ad/Al)v 比值与干旱指数呈负相关(p < 0.05),但与土壤中的任何变量都不相关(p > 0.05)。然而,在所有与(Ad/Al)s 比率有显著相关性的变量中(包括干旱指数、地上生物量、SOC 和 N 含量;p < 0.05),干旱指数是唯一最重要的变量,对该比率有正向影响。同样,这种影响与覆盖植被的木质素成分无关,因为植物生物量的(Ad/Al)s 比率与干旱指数没有相关性(p > 0.05)。

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图 5 氨基糖和木质素酚与环境变量的级联关系。(a)环境对蒙古草原氨基糖的主要影响途径(b)环境对蒙古草原木质素酚的主要影响途径 


3、对氨基糖积累的不同控制

与蒙古土壤相比,非蒙古草原表层土壤中的氨基糖只与考察变量(包括土壤 pH 值、SOC 和 N 含量;补充数据 2)中的粘土含量呈正相关(p < 0.05;图 6a),而不受干旱指数的影响(p > 0.05;图 6b)。值得注意的是,蒙古土壤的粘土含量(0.44 ± 0.03%; n = 38)远低于文献(即美国大平和德国的草原)(18.5 ± 1.42%; n = 38)。诚然,我们采用激光衍射法得出的蒙古土壤粘土含量与其他研究的结果相似,但与非蒙古研究采用的筛分离心法相比,往往会低估细颗粒的含量。不过,Evans 等人使用相同的比重计法证实,蒙古草原的土壤比美国大平原的土壤更粗糙(平均粘土含量为 12.5%)(平均粘土含量为 27%)。因此,在质地细腻的土壤中,粘土对氨基糖的保护作用似乎会抑制干旱的影响。

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图 6 不同土壤中氨基糖浓度的变化。(a)蒙古草原和非蒙古草原氨基糖和土壤粘土含量Pearson相关性(b)蒙古草原和非蒙古草原氨基糖和干旱指数Pearson相关性(n=38)



# 栢晖 #

—特色检测指标—

土壤、植物酶活检测

氨基糖、木质素PLFA

磷组分、有机酸、有机氮组分

微生物量碳氮磷同位素

其他土壤、植物、水体等常规检测指标均可测定

了解更多检测信息

按区域添加微信咨询详情

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异


  • 最新资讯 MORE+
  • 点击次数: 0
    2025 - 01 - 09
    文献解读原名:Decadal application of mineral fertilizers alters the molecular composition and origins of organic matter in particulate and mineral-associated fractions译名:十年的矿质施肥改变颗粒态和矿物结合态组分有机质的分子组成和来源期刊:SBBIF:9.8发表时间:2023.07第一作者:Zhichao Zou摘要背景:长期矿质施肥对土壤有机质(SOM)的数量、质量和稳定性的影响仍不明确。方法:通过结合四种生物标志物(自由与结合态脂类、木质素酚和氨基糖),研究中国北方农田在10年矿质施肥下(400 kg N ha−1 yr−1, 120 kg P ha−1 yr−1 和 50 kg K ha−1 yr−1)的SOM的分子组成、分解和来源。我们关注于两个差异化的SOM组分:颗粒态有机质(POM)和矿质结合态有机质(MAOM)。结果:尽管施肥对全土SOC的影响有限,但导致MAOM中SOC增加23%,并且改变了其组成和来源。施肥使POM中植物源的萜类化合物增加46%,MAOM中长链脂类(≥20)增加116%,但是降低了POM中54%的短链脂类(结论:矿质施肥通过改变温带农业生态系统中矿物-有机复合体的分子组成和固存,增加SOM的稳定性和持久性。研究背景SOM能够维持土壤肥力、促进土壤水分存留和有机碳(SOC)固存,对农业生态系统的功能的发挥至关重要。在典型的农田,大量矿质肥料的输入增加了作物生产力,导致大量的碳(C)通过残体、根系及其分泌物进入土壤,随后改变了SOM周转。然而,我们对SOC稳定和固存对营养施肥的响应方向和程度的基础理解仍然不明确。之前的研究报道了农业生态系统中施肥管理导致更高、中性以及甚至更低的SOC水平。在集...
  • 点击次数: 0
    2025 - 01 - 02
    文献解读原名:Temperature-dependent soil storage: Changes in microbial viability and respiration in semiarid grasslands译名:随温度变化的土壤储存:半干旱草原微生物活力和呼吸作用的变化期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:9.8线上发表日期:2024年12月发表日期:2025年3月通讯作者:田建卿(中国科学院植物研究所)亮点(1)相比于-20℃,在4℃下储存土壤细胞的存活率更高。(2)在 4 °C 下温和解冻 3 天可优化冻土中的细胞活力。(3)土壤呼吸对储存的响应取决于土壤类型。背景土壤微生物是生物地球化学循环的关键引擎,也是土壤有机碳 (SOC) 分解和稳定的关键驱动因素。理想情况下,研究人员应在取样后立即对新鲜土壤进行大多数微生物活动和微生物介导的土壤生物地球化学分析,然而,由于实际限制,在低温下储存土壤是土壤微生物学研究中的常见做法,可能会影响微生物活力和微生物介导的呼吸作用,几十年来,不适当的储存条件导致了已发表的研究中相互矛盾的结论。目前对储存过程中活微生物参数的变化和微生物介导的呼吸仍然缺乏了解。材料与方法(1)于2022年8月和2023年5月在从内蒙古草原生态系统研究站(IMGERS;116◦42′E,北纬43°38′,海拔约1260米)。中国内蒙古自治区采集了4种类型的土壤,包括大针茅(S.grandis)、羊草(L.chinensis)、西林河流域草甸(湿地)和浑善达克沙地(沙质)土壤。之后将4种类型的土壤样本分别在4℃和 -20℃下储存 0、5、40 和210天。对于在-20℃下保存的土壤,作者采用了两种解冻方法:室温下直接解冻和4 ℃下温和解冻(gentle thaw...
  • 点击次数: 0
    2024 - 12 - 06
    # 栢晖 #—特色检测指标—土壤、植物酶活检测氨基糖、PLFA及其同位素、磷组分木质素酚、CUE、有机氮组分、有机酸氨基酸、微生物量碳氮磷、同位素等苯多羧酸、红外光谱、微生物多样性等其他土壤、植物、水体等常规检测指标均可测定欢迎联系下方相关工作人员详细沟通
  • 点击次数: 0
    2024 - 11 - 29
    文献解读原名:Rhizosphere as a hotspot for microbial necromass depositioninto the soil carbon pool译名:根际是微生物残体进入土壤碳库的热点区期刊:Journal of EcologyIF: 5.3发表日期:2024.11.15第一作者:汪其同背景森林土壤是陆地生态系统最大的有机碳(SOC)库,高效发挥森林土壤碳汇功能是实现“双碳”战略目标的重要途径之一。相应地,科学认识森林土壤固碳过程与调控机制已成为当前森林生态学、土壤学领域重要的前沿基础科学问题与林业碳汇功能适应性管理的核心现实需求。近年来不断涌现的证据表明,微生物通过合成代谢而迭代积累的微生物残体很大程度上主导了SOC的长期积累和固持。其中,由于根源C持续输入在根系周围的根际微域形成了一个独特而又典型的微生物热点区,并伴随着更快的微生物生长和更强的微生物代谢活性,进而导致根际区微生物残体对长期SOC积累贡献能力比非根际区更为突出和明显。然而,目前大多研究通常将根际和非根际土壤视为一个均质有机体,而缺乏针对根际区SOC形成过程与稳定性机制的专一性试验研究,导致根际区土壤碳动态过程及其生态重要性在很大程度上未被探索和了解,已成为森林土壤碳汇功能变化认知最少且极为薄弱的关键环节之一。基于此,中国科学院成都生物研究所尹华军研究团队通过系统收集青藏高原典型高寒针叶林39个样点的根际和非根际土壤样品(图1),量化了根际和非根际土壤中有机碳和氨基糖的浓度,并通过计算根际相对于非根际土壤中增加的氨基糖与增加的有机碳的比例(RAS/SOC),评估了微生物残体对根际SOC积累的贡献程度。同时测定了根际土壤养分浓度和微生物生理性状,以揭示多变环境下根际微生物残体对SOC积累贡献的潜在微生物调控机制。图1  39个高寒针叶林采样点分布图我们假设:(1...
文体活动 MORE+
案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
说明:
2017 - 07 - 17
微信公众号
检测咨询热线
 
地址:四川省成都市成华区成宏路72号-四川检验检测创新科技园2号楼4层
          湖南省长沙市芙蓉区雄天路98号广发隆平创业园2栋6002
电话:028 8525 3068
传真:+86 0755-2788 8009
Copyright ©2005 - 2013 成都栢晖生物科技有限公司
犀牛云提供企业云服务