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外生菌根对有机氮的获取调节了温带优势树种的CO2施肥响应

日期: 2021-10-29
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外生菌根对有机氮的获取调节了温带优势树种的CO2施肥响应


外生菌根对有机氮的获取调节了温带优势树种的CO2施肥响应

摘要

植物菌根互作调节了植物氮(N)的限制,并可以为CO2增加对植物生长影响的持续时间和强度提供模型预测信息。在成熟的温带森林中,随着自然土壤养分梯度的增加,红栎(Quercus rubra L.)对CO2增加 (iCO2)的施肥反应呈积极的、但依赖于环境的树木年代学证据。我们通过外生菌根(ECM)真菌N觅食性状相关的宏基因组测量和植物吸收无机氮(IN)和土壤有机质绑定N (N-SOM)的树木年代学模型共同来研究这种异质性响应。在IN有效性较低的土壤条件下,N-SOM可以促进树木生长,ECM真菌群落具有更大的降解SOM和获得N-SOM的基因组潜力。这些树经历了38年的持续CO2施肥。相比之下,植物在IN丰富的土壤中生长,与之共生的ECM真菌群落具有较低的SOM降解能力,iCO2对树木生长并无显著影响。本研究阐明了ECM真菌群落的N觅食性状分布会如何影响树木对N-SOM的获取及后续其对iCO2的生长响应。

研究背景

逐渐升高的CO2刺激了全球范围内的总初级生产力,地球系统模型(ESM)指出这种效应可延续至2070年。虽然全球范围的研究推断出适度的历史施肥效应,但在成熟森林生态系统规模上,CO2增加刺激生产力的证据尚不明确。在成熟森林中进行的CO2富集控制实验表明CO2升高(eCO2)对树木生长存在着正的、适度的和饱和的响应。氮(N)有效性,特别是在成熟的森林被广泛认为制约了树木生长对CO2的响应。

植物氮限制通常与IN的有效性有关,而IN需通过微生物矿化土壤有机质(SOM)转化而成。相比之下,土壤有机质绑定N (N-SOM)被认为是植物无法直接获得的, ESM模型中很少考虑N-SOM的作用。然而,对N-SOM的收收可能是特定植物短期适应IN供给不足的重要途径。植物对N-SOM的吸收取决于外生菌根(ECM)真菌共生体的活性。ECM真菌可能酶降解和非酶降解机制获得N-SOM。尽管ECM群落为植物提供了大部分的N,但ECM群落及其N-觅食特性与植物对iCO2响应之间关系的研究及其缺乏,极大地限制ECM宿主植物生长对iCO2相应的准确预测。

植物与ECM形成互惠共生关系以最大化获取氮和最小化植物碳(C)支出(C投资的N收益)。不同的ECM类群降解SOM的能力差异很大,更强的分解能力需要更多的植物C投资。在IN有效性较低的条件下,选择获取N-SOM可能更加有利。我们推测由于N- SOM和IN都对树木生长有贡献。因此,与具有更强分解潜力的ECM群落共生的树木(即生长在IN贫乏土壤中)的对iCO2的响应最大。相反,树木氮源以IN为主(即生长在IN丰富的土壤中),树木对iCO2的生长效应较小(图1)。本研究旨在,(1)阐明N-SOM对树木生长的贡献;(2)沿着自然土壤IN梯度,量化ECM真菌群落聚集降解性状(CADT);(3)揭示CADT和树木N-SOM获取与树木对iCO2响应的关系

外生菌根对有机氮的获取调节了温带优势树种的CO2施肥响应

图1. 不同氮(N)形式对树木生长的假设性贡献(红色和橙色线; y-轴)以及树木对历史性CO2 增加(iCO2)的反应。这些响应随无机氮供应速率的变化而变化(净氮矿化速率:x轴)。深蓝色箭头表示iCO2相对化施肥反应(箭头宽度)。利用宏基因组学方法估算了ECM真菌群落组成、形态性状和群落聚集衰变性状(CADT),并假设它们随土壤无机氮有效性的变化而变化。注:假设ECM类群的优势地位在超根根状菌丝和中长距离探索形态上发生了转变。根上的白色斑点表示ECM根尖的相对丰度

主要结果

1)树木年代学模型与植物N吸收

在考虑了其他生长限制因素后,沿着土壤净氮矿化(即IN供应)的梯度,树木年增长率(BAI)是一致的(图2A)。然而,如果在树木生长(BAI)中增加N-SOM这一预测因子后,则观察到生长速率与IN供应之间的关系将被削弱。(图2A中的斜率变小,红色)。我们发现植物生长促进效应与N矿化梯度的拐点出现在0.53±μg IN g-1d-1 (Fig. 2B),BAI和净N矿化率之间存在显著的变化点,变化点左侧的斜率明显比右侧的斜率更弱(更小)。在BAI统计变化点以下的树木生长显著大于仅基于无机氮贡献的预测。在考虑了其他生长限制变量后,我们将这高于预期的生长响应解释为N-SOM对树木生长的假定贡献。

2) 外生菌根群落分析

与模拟BAI对土壤无机氮有效性的响应一致,ECM群落的组成和形态特征也发生了显著变化。这些变化与假设的N-SOM和无机N对树木生长的贡献相一致(图 3)。无机氮有效性低的条件下,ECM群落中Cortinarius占优势(图 3A)。Cortinarius被认为可分泌大量的氧化酶参与N-SOM的获取。相反,在高无机N有效性条件下,Russula占优势(图 3B)。其他ECM类群,如衍生自白腐菌的Hebeloma,在低无机氮土壤中存在相对较高的丰度,可能也有助于本文所观察到的功能转移。我们还检测了形成根状菌丝和外延菌丝的ECM类群的相对丰度,以及与获得有机氮相关的形态特征。形成根状菌丝的ECM属和中距离探测类型的相对序列丰度,在BAI变化点以下的红栎个体显著大于在统计BAI变化点以上的个体(图3C, D)。

生长响应与N-SOM吸收一致的红栎(Q. rubra)个体(即生长在低无机N土壤中的个体),其ECM群落具有明显的降解SOM的特征。这些ECM群落通常具有更高的CAZy 基因(图 3E)。在BAI改变点以下显著富集的几个关键基因家族包括纤维二糖脱氢酶(AA3_1)和裂解多糖单加氧酶(LPMO’s: AA9, AA10, AA11),它们共同作用于降解SOM(Fig. 3F)。GDM分析表明,ECM降解基因的组成丰度对净N矿化率表现出强烈的群落阈值响应(最大值为0.5μg IN g soil-1 d-1))。这一ECM群落的临界响应值与BAI阈值是一致的,表明了在IN有效性较低的土壤中,低于该阈值的ECM群落具有相似的基因组降解潜力。在BAI阈值一下,随着无机氮有效性逐渐降低,某些ECM基因家族的转录差异可能解释了N- SOM对树木生长的潜在贡献更大。

3)树木生长响应

我们计算了每棵树的年生长氮效率(GNE),以该值为年大气二氧化碳量的应变量(图 4A, D)。采用变化点分析法分析每棵树的斜率参数(λ)(即,iCO2效应)作为净N矿化率的应变量(图 4 B, E)。模型估算显示在N矿化梯度上,树木生长和CO2效应(λ)的变化点为净氮转化速率成为0.39±0.01 μg IN g−1 soil d−1(图 4 E)。土壤净N转化低于这一点时,CO2 浓度增加促进GNE,导致CO2施肥的正效应;相反,生长更高的IN有效应土壤中 (即该拐点的右边),CO2的施肥效应不显著(图 4F)

外生菌根对有机氮的获取调节了温带优势树种的CO2施肥响应

图2. 无机氮和N-SOM对植物生长的贡献分析框架和模型。(A)树木生长作为净氮矿化率应变量的代表性分析。变化点分析确定拐点的发生和位置,以及每边的斜率参数值。(B)基径面积增量(BAI),取自沿着研究的净氮矿化梯度(黑色圆圈代表单个生长年)的54棵红栎树。红色和蓝色线表示模型估计的BAI均值和95% PI在识别的变化点(BAI变化点;估算值是根据其他协变量的平均值计算的)。R2表示总体贝叶斯模型拟合度。(C) 斜率参数之间存在显著差异(95% CIs不重叠;不同的字母表示(n = 54))。星号表示参数不等于零(95% CI不与零重叠)。

外生菌根对有机氮的获取调节了温带优势树种的CO2施肥响应

图3. 土壤N梯度下ECM群落组成、形态和功能转化与其N觅食性状的协同关系。A和B.沿净氮矿化速率梯度(x轴)ECM真菌Cortinarius和Russula的相对序列丰度。彩色条带描述了GAM拟合曲线;C. 箱式-须状图描述了BAI阈值以上及以下ECM真菌形成的短或中距离勘探类型;D. BAI阈值(0.53 N g soil -1 d-1)以上和以下形成菌索状菌丝的ECM真菌群落序列相对丰度;E. CAZy 基因总数;F. 在BAI阈值一下丰富显著增加的特定基因属。

外生菌根对有机氮的获取调节了温带优势树种的CO2施肥响应

图4. 环境依赖性iCO2施肥响应的分析框架和证据。A. 沿净氮矿化梯度生长-氮效率指数(GNE)作为历史大气CO2浓度增加的应变量(不同线及其相对斜率)的代表性分析框架;B. iCO2 (λ)对植物生长影响的概念图, 变化点分析可以探测到沿土壤梯度生长 响应的拐点;C. 由图B的红色和蓝色部分得出的θ的差异,表明变化点前后不同斜率值。D.过去38年收集的54棵红栎树的年代学数据。单个点代表估计的年GNE值,不同颜色代表林下土壤净氮矿化比率的高低。E. 单个点代表单个树对二氧化碳的响应(平均模型斜率来自图D)。F. 变化点(E)左边和右边的斜率平均值和95%置信区间。



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