微生物殘體在土壤有機碳形成和積累中的重要作用已經逐漸成為共識。微生物殘體的產量在很大程度上取決于微生物代謝屬性的權衡。因此，微生物代謝屬性信息對于探索微生物C代謝過程與土壤C固存之間的內在聯系至關重要。具有豐富高質量植物輸入的土壤微生物熱點-根際通過誘導更快的微生物合成代謝過程，在微生物殘體的形成和迭代積累方面具有顯著優勢，為從細微尺度上深入辨識微生物過程在土壤有機碳形成和累積中的關鍵調控作用提供了獨特的研究視角。但由于根系功能的分化，根際并不是一個均質體，不同的根系功能模塊（即吸收根和運輸根）根系生理代謝活性之間存在明顯差異，可以通過差異化影響周圍土壤微生物代謝活動，從而在微生物壞殘體形成和土壤碳固存中發揮不同的作用。然而，目前關于不同根系功能模塊如何通過差異化調控根際微生物C代謝過程而影響根際土壤有機碳形成和積累的專一性研究近乎一片空白，極大地限制了在細微尺度上對森林土壤C形成和固存機制的深入認識與理解。
基于此，成都生物研究所尹華軍研究團隊以西南亞高山典型的人工林云杉（Piceaasperata）為試驗對象，在兩個不同林齡（45和55年）的樣地中通過分離吸收根（1-3級細根）和運輸根（4-5級細根）兩個根系功能模塊，量化并比較了吸收根和運輸根根際微生物殘體C對土壤有機碳（SOC）的貢獻差異，并通過測定土壤微生物生長屬性（即微生物CUE（土壤碳利用效率）、生長速率、周轉速率）和投資屬性（即微生物呼吸商和胞外酶活性），闡釋這兩組微生物代謝屬性的權衡是否以及如何控制兩個根系功能模塊之間微生物殘體C對SOC的貢獻差異。研究結果表明：I）吸收根根際微生物殘體C對SOC的貢獻（32.9 ~ 37.5%）顯著高于運輸根根際（27.7 ~ 30.5%），表明吸收根比運輸根具有更大的促進根際微生物殘體C積累的能力；II）與運輸根相比，吸收根根際具有更高的微生物CUE、更快的生長和周轉速率、更低的呼吸商和酶投資，這表明吸收根支持了更高的微生物生長產量并產生更多的殘體。上述結果表明，根際微生物對土壤有機碳的貢獻在很大程度上取決于根系功能分化介導的微生物代謝屬性的權衡，本研究從根系功能分化的角度為微生物C代謝過程在調節根際土壤C固存中的關鍵作用提供了新穎的和直接的經驗證據。
圖1吸收根和運輸根根際微生物殘體碳(MNC)、真菌殘體碳(FNC)和細菌殘體碳(BNC)對土壤有機碳(SOC)的貢獻(a-c)及其根際效應(RE) (d-f)。
圖2根際土壤特性、微生物殘體C對SOC的貢獻、微生物生長屬性和投資屬性之間的Pearson相關系數矩陣(a); 結構方程模型描述了根際土壤特性如何通過影響微生物代謝屬性的權衡而改變根際微生物殘體C對SOC的貢獻(b)。
圖3吸收根和運輸根如何通過改變微生物代謝屬性的權衡來影響微生物殘體的積累和對有機碳的貢獻概念框架圖。
上述研究結果于2024年7月11日以“Microbial metabolic traits drive the differential contribution of microbial necromass to soil organic carbon between the rhizosphere of absorptive roots and transport roots”為題，在線發表于國際土壤學權威top期刊Soil Biology and Biochemistry上。成都生物研究所特別研究助理汪其同為論文第一作者，尹華軍研究員為論文通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金項目、中國科學院“西部之光”交叉團隊項目、西藏自治區科技計劃項目和四川省自然科學基金的聯合資助。