叢枝菌根研究榮登Science子刊

近期，派森諾與北卡羅來納州立大學、南京農業大學合作在

《Science Advances》

發表論文，研究了氣候變暖和臭氧濃度升高對非耕作大豆根系性狀、叢枝菌根真菌組成和土壤碳動態的影響，對未來氣候變化下，植物與微生物如何響應氣候變暖和臭氧濃度升高，以及如何調節土壤有機碳提供深入見解。

研究背景

自工業革命以來，全球地表溫度不斷上升。氣候變暖的同時，臭氧濃度也隨之增加。氣候變暖通常會促進植物生長，促進微生物對土壤有機碳的分解；臭氧升高則會損害植物氣孔功能並減少地下碳分配。因此，氣候變暖和臭氧升高可能會加劇土壤有機碳的流失。同時，氣候變暖和臭氧升高還會影響植物光合作用，並進一步影響光合產物在植物根部和特定的共生微生物成員間的分配。因此，氣候變暖和臭氧升高是影響植物生長和植物—微生物組相互作用的重要氣候變化因素，但氣候變化對土壤碳動態影響的實驗證據及其潛在機制，目前尚不清楚。

研究方法

測序平臺：

Illumina MiSeq高通量測序

測序物件：

叢枝菌根真菌AMF

研究設計：

正常對照（CF）、氣溫升高3℃處理（W）、臭氧濃度增加1。3倍處理（eO3）、氣溫升高3℃+臭氧濃度增加1。3倍處理（W+eO3）。

研究結果

升溫和臭氧升高對植物生物量及根系形態的影響如圖1所示。升溫和臭氧升高不影響植物地上部分的生物量，但對根部生物量有顯著影響，顯著增加了比根長度，降低了根組織密度。由此表明，升溫和臭氧升高使植物根系變的更長且密度更低，從而更容易獲取地下資源。

圖1 升溫和臭氧升高對植物性狀的影響

升溫和臭氧升高對植物根部菌根定植的影響如圖2所示。升溫、臭氧升高及兩者相互作用，都顯著降低了AMF定植的根長比例（圖2A），同時比根長與根部AMF定植率呈顯著負相關，表明細根和AMF之間存在權衡關係（圖2B）。

圖2 升溫和臭氧升高對菌根定植的影響

利用高通量測序探究植物根部AMF群落組成發現，在所有處理中，

Glomus

屬和

Paraglomus

屬相對丰度最高。同時，升溫和臭氧升高減少了

Glomus

丰度，增加了

Paraglomus

丰度（圖3A）。NMDS和PERMANOVA分析表明，溫度和臭氧濃度顯著影響AMF群落分類組成，各個處理之間明顯分離（圖3B）。

圖3 升溫和臭氧升高對AMF群落組成的影響

本研究發現，升溫、臭氧升高及兩者相互作用引起的根部和AMF變化，對生態系統功能具有潛在影響。在對照組中，升溫、臭氧升高都對土壤碳含量無顯著影響，而在AMF單獨存在下，變暖、臭氧及兩者相互作用均使土壤總碳含量顯著減少。在植物根系和AMF都存在的情況下，變暖、臭氧及兩者相互作用使土壤總碳含量減少更為明顯。此外，菌根定植率也與總碳含量呈正相關。

圖4-5. 植物根系和AMF對有機碳的分解以及AMF定植和總碳含量的關係

研究還更進一步探究了AMF兩個關鍵屬與土壤總碳含量的關係，如圖6所示。

Glomus

屬的相對丰度與剩餘總碳含量呈正相關，而

Paraglomus

屬與剩餘總碳含量呈負相關。表明

Glomus

屬有利於碳固定，而

Paraglomus

屬則促進碳分解。

圖6. AMF組成與總碳含量的關係

討論與總結

本研究透過升溫和臭氧濃度處理，並結合Illumina高通量測序和同位素追蹤技術，揭示了氣候變暖和臭氧濃度升高對非耕作大豆根系性狀、叢枝菌根真菌組成和土壤碳動態的影響，為植物—微生物組對變暖和臭氧升高的互動響應、以及這些響應如何在未來氣候變化情景下調節土壤有機碳動態提供了深刻見解。