文献解读

原名：Long-term nitrogen deposition enhances microbial capacities in soil carbon stabilization

but reduces network complexity

译名：长期氮沉降提高了微生物在土壤中的固碳能力，降低了网络的复杂性

期刊：Microbiome

IF：16.837

发表时间：2022.7.28

第一作者：Xingyu Ma

摘要

人类活动增加了大气活性氮(N)在陆地生态系统的输入，影响了土壤碳稳定性和微生物群落。在本研究中，基于21世纪末美国加州地区大气氮沉降的估算，进行了为期14年7g m−2year−1的N沉降实验，研究了土壤微生物群落的各种功能特征，以及这些特征是如何相互关联的。结果表明:氮沉降显著改变了土壤微生物群落结构。与较高的地上植物生物量和凋落物一致，通过丰度加权平均rRNA操纵子拷贝数评估，快速生长的细菌在氮沉积土壤中更受青睐。与活性碳(C)降解相关的基因（如amyA和cda）的相对丰度也有所增加。相反，与较难降解C相关的功能基因(如甘露聚糖酶和几丁质酶)的相对丰度没有变化或下降。与环境控制相比，氮沉降显著降低了网络的平均度和连通性等复杂度。

N沉降样品的网络中仅含有与C降解相关的基因，表明在N沉积条件下C降解基因的连接更加紧密。最终提出了一个概念模型来总结长期氮沉降导致地上和地下生态系统变化共同导致更多土壤C积累的机制。

图1氮沉降对陆地生态系统过程影响的概念模型

研究背景

人类活动在全球范围内显著增加了活性氮的含量，其水平可能超过了所有自然陆地氮源的总和。增加对环境的氮输入会产生许多后果，包括海洋和淡水富营养化、海洋酸化、空气污染以及生态系统功能和组成的变化。

多项研究表明，土壤微生物的多样性在氮沉降的作用下没有改变或减少。氮沉降，特别是在高水平(>50 kg ha - 1year – 1ofN)或长时间的氮沉降，往往会降低微生物生物量和土壤呼吸。但随着N的沉积，水解酶的活性增加，表现出对不稳定C库的优先降解。相比之下，顽固的C降解酶，如苯酚氧化酶保持不变或减少,这表明，与不稳定C库相比，不稳定C库的N含量更丰富，增加不稳定C库的数量可能会改善微生物从不稳定C库中获取N的需求。

此外，N沉积通常会增加N循环速率，如N总矿化、总硝化作用和潜在硝化作用或氨氧化和亚硝酸盐氧化，以及潜在反硝化作用。氮沉积还能改变参与氮循环的关键微生物类群的丰度，刺激部分细菌而非古菌的氨氧化剂，增加部分亚硝酸盐氧化剂的丰度，如硝菌而非硝螺旋菌。而在寒地土壤、森林土壤和根际土壤中，氮沉降可增加、减少或不改变各固氮类群的丰度。

在美国加利福尼亚州的一年生草原上，植物的生长一般受到氮的限制。因此，氮沉降通常会引起植物和土壤微生物群落组成的较大变化。虽然有许多研究探讨了地上和地下生态系统对氮添加的响应，但许多微生物功能群的响应及其相互作用与土壤碳氮动态的关系尚不清楚，这限制了我们对长期氮沉降对土壤微生物群落和土壤功能的影响的理解。为了解决这个问题，该研究在美国加州斯坦福附近的加州一年生草地上进行了14年的N(以Ca(NO3)2的形式)沉降试验(JasperRidge全球变化实验，JRGCE)。它旨在评估草地对全球变化单个和多个驱动因素的响应，包括CO2升高、气候变暖、大气硝酸盐沉降和降水增强。

该研究目标是评估氮沉降对广泛的土壤细菌类群、与碳氮循环相关的主要功能基因以及这些基因如何共同发生的长期影响。此外，还分析分类和功能基因组成的变化与环境属性的变化之间的关系。由于N沉降通常会刺激植物的初级生产力，从而增加土壤中新鲜C的输入，我们假设N沉降会丰富快速生长的细菌，并刺激与C降解活性相关的功能基因，从而提高土壤C稳定的代谢能力。因此，我们假设N沉降会影响通过网络分析表征的官能团之间的关联。此前的研究结果表明，长期以来，土壤铵态氮浓度随着Ca(NO3)2的沉降而增加，这是由于N的周转和N的矿化作用的增强。我们的第三个假设是，与氮循环相关的功能性微生物群将受到刺激。更准确地说，我们假设在高氮利用率下表现更好的微生物群，如细菌氨氧化剂和类似硝化菌的亚硝酸盐氧化剂会受到特别的刺激。

主要结果

1.细菌群落的分类组成

通过三种非参数统计分析(Anosim、Adonis和Mrpp)，我们发现N沉降引起了土壤细菌群落整体分类组成的显著变化（表1）。此外，N沉积增加了估计的丰度加权平均rRNA操纵子拷贝数，显著改变了每个样本的OTUs，从2.98±0.21到3.16±0.17（图2a）。最丰富的细菌类群为变形菌门、酸菌门、放线菌门、疣菌门、植物菌门和拟杆菌门，相对丰度依次降低（图2b）。r-变形菌门和拟杆菌门的相对丰度随氮沉降显著增加（图2c），估计的rRNA拷贝数更高(N沉降样品为3.96±0.82，对照为3.55±1.29)（图2d）。相比之下，三角洲变形杆菌、浮霉菌和大多数OTUs的相对丰度(rRNA拷贝数估计为1.56±0.17)远低于所有OTUs的平均rRNA拷贝数(2.51±1.28)（图2d）。

表1用Bray-Curtis距离计算N沉降对微生物群落分类和功能组成的影响

图1a是OUT的丰度加权平均rRNA操纵子拷贝数。b细菌门的相对丰度。c微生物门相对丰度。d每个门OTUs的平均估计rRNA拷贝数。

2.微生物群落的功能组成

在CO2、气候变暖和降水(N= 32)的8个因子组合中，功能基因的相对丰度对N沉降的响应与仅考虑CO2环境下N沉降、无气候变暖和环境降水时的响应基本一致（表1）

3.C循环

与不同底物相关的C降解基因表现出不同的反应。编码α-淀粉酶的amyA、编码与淀粉降解相关的胞苷脱氨酶的cda和编码与半纤维素降解相关的木糖异构酶的xylA的相对丰度随氮沉降的增加而增加（图2）。半纤维素降解相关的甘露聚糖酶基因、纤维素降解相关的纤维素酶基因和几丁质降解相关的几丁质酶基因的相对丰度随氮沉降的增加而降低。与木质素降解相关的基因，如编码乙二醛氧化酶的glx、木质素酶、编码锰过氧化物酶的mnp和苯酚氧化酶保持不变。也就是说，氮沉积增加了化学不稳定C降解相关基因的相对丰度，而降低或不影响化学不稳定C降解相关基因的相对丰度。

图2 C循环基因丰度的变化

4.N循环

氮沉积降低了与氮循环相关的多个功能基因的相对丰度（图3）。包括编码类铜亚硝酸盐还原酶的nirK和编码氧化亚氮还原酶的反硝化基因nosZ1，以及编码硝酸还原酶的硝酸还原基因napA。而编码氨单加氧酶的amoA则随着氮沉降的增加而相对丰度增加。

图3 氮循环基因丰度的变化

5.碳氮循环基因的网络分析

构建了关联网络进一步解释C降解、C固定和N循环相关的功能基因的复杂关系（图4）。虽然我们使用相同的相似阈值来构建两种网络，但N沉积样品的网络拓扑性质(包括平均度和连通性)都低于对照样品，表明网络连接结构较弱。与含有与C降解、C固定和N循环相关的多种微生物功能基因的对照样品相比，N沉降样品的网络只含有与C降解相关的基因(图4)，表明N沉积条件下C降解基因之间存在紧密连接。氮沉降网络的模块化程度低于控制网络。

图4与碳降解、碳固定和氮循环相关的微生物功能基因的关联网络

结论

总之，研究结果强调了研究参与土壤碳氮动态的微生物功能群对氮有效性的联合响应的重要性。在长期氮沉降作用下，土壤微生物群落对化学活性C(活性C降解基因相对丰度较高)的利用能力逐渐增强，同时快速生长类群的相对丰度也逐渐提高。相反，与化学上不耐C降解相关的基因保持不变或减少。此外，随着氮沉降的增加，草原硝化第一和限速步骤的amoA基因相对丰度增加，而反硝化过程的功能基因则减少。在植物-土壤系统中形成有利于氮保持的硝化/反硝化平衡。如图1所示，我们的研究结果表明，氮沉降有利于土壤C和N的积累，其机制有三:(i)通过刺激植物生长，增加植物的养分来源，如增加地上生物量和凋落物;(ii)通过增加营养循环基因的相对丰度和增加快速生长的细菌来增加潜在的养分可利用性;(iii)通过减少化学抗性C降解基因来减少化学抗性C的利用。

我们的研究结果表明，详细而全面地分析土壤微生物群落的响应，特别是其功能特征和相互作用，有助于理解和预测氮沉降对土壤生物地球化学过程的影响。

论文id：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01309-9

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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