Nature Communications: 湿地土壤微生物的产甲烷过程具有热适应性

标题: The thermal response of soil microbial methanogenesis decreases in magnitude with changing temperature

期刊: Nature Communications

作者: 陈鸿洋 (第一作者), 聂明 (通讯作者)等

时间: 2020-11-12

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-19549-4

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导读

厌氧土壤微生物的甲烷（CH₄）生产是全球CH₄排放的重要来源。理解产CH₄微生物对环境温度的响应对于预测土壤温室气体排放-气候反馈至关重要。大量的研究表明，好氧土壤微生物能够适应环境温度变化，削弱长期增温对土壤呼吸的刺激作用。厌氧土壤中的产甲烷微生物是否也具有类似的热适应能力，目前仍知之甚少。本研究选取两类典型的湿地土壤为研究材料，通过室内长期增温和降温培养，探索温度变化对土壤微生物产CH₄过程的影响，并分析其与产CH₄微生物群落动态的关系。结果发现，产CH₄微生物的代谢活性在长期增温后降低而在长期降温后增强，这种补偿性热响应表明土壤微生物的产甲烷过程能够适应环境温度变化。此外，该研究还发现产甲烷微生物的热适应能力主要受其群落物种组成的动态变化调控。这些结果表明未来气候变暖对湿地土壤CH₄排放的刺激作用可能低于当前的预测强度，这将对预测未来大气CH₄浓度变化产生深刻影响。

理论假设与实验设计

土壤碳分解的热适应性实质上是土壤微生物功能在群落尺度上对环境温度变化的适应性，即气候变暖后土壤微生物主动降低生理活性以提高其在高温环境中的适宜度，从而减缓表观土壤碳分解速率。作为一种生理补偿响应，微生物的热适应性必须可逆，即在持续增温后代谢活性降低，而在持续降温后代谢活性上升（图 1a）。因此，本研究将湿地土壤样品置于12℃（reference temperature，RT）下厌氧培养66天，保持CH₄排放的稳定，随后对样品进行160天的增温（RT 4℃）和降温（RT-4℃）培养。在160天的培养结束后，立即将三种处理的土壤样品分别置于不同测试温度（Assay temperature）下，在24小时内完成CH₄呼吸的测定（图1 b）。

图 1 微生物热适应的理论假设（a）及本研究的实验设计（b）

结果与讨论

>> 微生物产甲烷过程的热适应性

160天的培养结束后，我们在两类湿地土壤中均观察到了显著的增温和降温效应。具体而言，在三种测试温度下，CH₄-R_mass 速率均在降温处理下最高，而在增温处理下最低（图 2a,b）。进一步分析发现，与对照（RT）相比，增温削弱CH₄-R_mass 速率，而降温增强CH₄-R_mass 速率。这些结果表明产甲烷微生物对环境温度变化表现出适应性。

图 2 单位产甲烷微生物的CH₄呼吸速率（CH₄-R_mass）在增温下降低而在降温下升高。a, c大兴安岭湿地土壤；b, d 青藏高原湿地土壤。

>> 热适应性与产甲烷微生物群落结构的关系

在增温与降温处理下，产甲烷微生物的群落结构发生显著改变（图 3a）。但在两类湿地土壤中，占优势的产甲烷古菌对温度变化的响应并不一致（图 3b）。这表明具体某类产甲烷菌相对丰度的改变并不能解释产甲烷微生物群落的热适应性。为了进一步厘清群落物种组成变化（species turnover）是否影响产甲烷微生物的热适应性，我们通过线性混合效应模型分析了增温和降温处理下产甲烷微生物热适应能力与其群落β多样性的关系。结果发现，产甲烷菌群落组成的变化程度与其热适应能力呈显著正相关（图 4）。这些发现表明，在环境温度变化过程中，产甲烷微生物能够通过改变群落组成，削弱温度变化对其CH₄呼吸的影响。

图 3 产甲烷微生物群落的变化

图 4 产甲烷微生物的热适应能力与其群落结构变化的关系

结论

本研究基于温度对生物代谢的基本影响，首次从生物的热适应性视角，探讨了厌氧土壤产甲烷微生物对环境温度的响应。实验结果证实微生物产甲烷过程存在热适应性。结合先前报道的好氧土壤微生物的热适应性，我们的发现意味着在好氧和厌氧土壤中微生物代谢对环境温度的生理补偿响应普遍存在。此外，本研究还强调群落的动态变化在产甲烷微生物的热适应中发挥重要作用。更为重要的是，产甲烷微生物热适应性的发现意味着未来气候变暖对湿地土壤CH₄排放的刺激作用可能低于当前的预测强度，而这将对预测未来大气CH₄浓度的变化产生深刻影响。

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