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
    2024 - 07 - 25
    一、木质素酚实验流程:→氧化:CuO+Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O+2 M NaOH高温氧化。收集上清液→提取:纯水洗渣两次,合并上清液,调PH→衍生:吡啶+BSTFA衍生→上机:(GS-MS)图谱展示:二、角质、软木质实验流程:→水解:称取约1.0~2.0g的土样于四氟乙烯反应釜中,1mol/L甲醇化氢氧化钠3mL,沸水浴3h。→净化:a.酸化:待水解液冷却至室温后,用10ml甲醇:二氯甲烷(1:1)混合液冲洗水解管,超声15min。取上清液用HCl酸化至ph b.萃取:收集有机相于5mL衍生瓶中,于38°C下轻轻氮吹至干。→衍生:向吹干的衍生瓶中加入100uL吡啶和400uLBSTFA后盖紧。漩涡30s混匀,70°C反应3h,待冷却后上机。→上机:(GC-MS)图谱展示:三、脂类(游离态脂)实验流程:→萃取:称取约0.5~1.0g的土样于10mL离心管中,加入5mL丙酮:二氯甲烷(1:1)混合液超声萃取20min,离心收集上清液。重复两次合并上清液并氮气吹干,衍生后上机测试。→衍生:向吹干的样品和标准的衍生瓶中加入100uL吡啶和400uLBSTFA后盖紧。涡旋30s混匀,70°C反应3h,待冷却后上机。→上机(GC-MS)图谱展示:更多相关检测讯息so栢晖生物~
  • 点击次数: 0
    2024 - 07 - 24
    文献解读原名:Not all soil carbon is created equal: Labile and stable pools under nitrogen input译名:并非所有的碳都是相同的:氮输入下的易分解库和稳定库期刊:Global Change BiologyIF:10.8发表日期:2024.7.8第一作者:臧华栋 中国农业大学农学与生物技术学院背景人类活动提高了世界范围内的氮输入,由于农业活动和化石燃料的使用,人类氮输入比自然来源大30%-50%。鉴于碳氮之间的密切关系,活性氮输入水平将极大地影响全球碳循环,氮输入的增加刺激了土壤碳储存,因为氮的增加促进了植物生物量的产生和植物来源的碳输入,然而氮输入对不同周转时间的有机质(SOM)库影响仍存在争议,特别是其潜在机制。因此,探究有机质库对氮输入的响应对阐明全球C循环的复杂性至关重要。假设(1)通过方法组合可以有效地评价C池(从数年到数十年的周转率)对氮施肥的响应。(2)“碳限制”和“微生物氮开采”这两种机制都与SOM池相关,取决于它们的可用性,这代表这两种理论之间的联系。科学问题(1)分析不稳定到稳定有机质的矿化反应;(2)量化各种有机质库分解对氮输入的敏感性;(3)评估细菌和真菌群落变化,并阐明微生物群落的变化程度如何反映有机质分解对氮输入的响应。材料与方法方法:将有机质中的13C自然丰度与21年的C3-C4植被转换和长期孵化实验结合起来,估算氮输入对不稳定碳库和稳定碳库有机质矿化的影响。土壤取自霍恩海姆大学试验站0-10厘米深度(有机碳约2.4%,总氮含量0.25%,pH值5.1)和邻近草地(有机碳约2.5%,总氮0.21%,pH 5.1)。巨芒草作为一种C4植物,在21年前被引入到之前的C3草地土壤中,导致δ13C从−27‰转移到−17‰。δ13C中这种差异被用来区分新土壤和老土壤有机碳。C4-...
  • 点击次数: 0
    2024 - 07 - 15
    土壤氨基糖实验流程如下:一、实验方法及原理氨基糖在吡啶-甲醇溶液中,以 4-二甲氨基吡啶为催化剂的条件下与盐酸羟胺和乙酸酐发生糖腈乙酰酯反应, 所得衍生物可利用气相色谱测定。二、实验步骤2.1主要实验仪器   GC(毛细管分流进样口, FID检测器)鼓风烘箱(涵盖105℃,可定时8h)涡旋混合仪(2850rpm)离心机(50mL,3650rpm)冷冻干燥机水浴锅(45℃、80℃)旋转蒸发仪(100mL,65℃)离心机(5mL,8000rpm)2.2 实验步骤1、水解:称取约0.5~1.0g的土样于水解管中,沿管壁加入5 mL 6 mol/L盐酸,用氮气置换水解管中空气2min后密封。在烘箱中105℃放置8h水解。2、净化:a) 除酸:待水解液冷却至室温后,加入200μgN-甲基氨基葡萄糖(1mg/mL水溶液,200μL)。涡旋仪震荡30s混匀。取部分水解液于5mL离心管中,于8000rpm离心1min。取上清液2.5mL于50mL离心管中用氮气于65℃吹干。用25mL纯水溶解吹干后的残渣。加0.4mol/LKOH和0.01mol/LHCL调节pH至6.6~6.8。b) 除盐:离心管以3000rpm离心5min,转移出上清液于100mL茄型瓶中,于65℃,25rpm旋转蒸发至干。再加入10mL无水甲醇分两次溶解瓶中残渣。后转移至另一50mL离心管。氮吹至5mL以下,涡旋溶解管壁有机物后,以4000rpm离心5min,除盐。再将上清液转移到5mL衍生瓶中并加入100μg戊五醇(1mg/mL水溶液,100μL),于40℃氮气吹干。3、标准样品制备:同时准备3个标准样品。另取衍生瓶中加入100μL混标(1mg/mL的氨基葡萄糖、氨基半乳糖、氨基甘露糖,0.5mg/mL胞壁酸),100μgN-甲基氨基葡萄糖(1mg/mL水溶液,100μL),100μg戊...
  • 点击次数: 0
    2024 - 07 - 01
    原名:Conversion of SIC to SOC enhances soil carbon sequestration and soil structural stability in alpine ecosystems of the Qinghai-Tibet Plateau.译名:无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性。期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:9.7发表日期:2024.8(网络首发2024.5)第一作者:马云桥 青海大学高原生态与农业国家重点实验室(李希来课题组)一、背景陆地生态系统储存了大量的有机碳(SOC)和无机碳(SIC),土壤有机碳和土壤无机碳由非生物和微生物因素驱动具有潜在动态相互关系,对土壤结构和固碳有重要影响(图1)。同时青藏高原约占国土面积的五分之一,是我国巨大的碳库,因此对该区域生物和非生物因子介导的土壤有机碳和无机碳动态转化过程和机制研究显得尤为重要。图1 微生物驱动的有机碳和无机碳周转关系示意图二、科学问题(1)评估不同空间尺度下不同植被类型中聚集体的组成和稳定性;(2)量化SOC、MBC、DOC、SIC和碳水解酶酶活性(α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶)的分布,以及不同植被类型不同土壤团聚体中细菌和真菌群落的组成和多样性;(3)分析调控团聚体内SOC和SIC动态转化的主要生物和非生物因子,以约束土壤团聚体形成与土壤碳库动态转化的关系。三、材料与方法(1)研究地点位于中国青海省河南-蒙古自治县(北纬34°05′-34°56′,东经100°53′-102°16′),海拔范围3400-4200米。(2)MS代表高寒草甸阳坡,SS代表高寒草甸阴坡,WR代表河滨湿地。每种地形的优势植物机水汽条件有所不同(...
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
Q  Q : 2105984845
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