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本研究表明十年干旱引起西伯利亚湿地微生物群落丰度、分类和功能的显著变化。

编译：微科盟韬儿，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

冻融会引起土壤水文变化，水文变化反过来会影响北极陆地生态系统的碳循环过程。然而，冻融对微生物过程和温室气体（GHG）动态的水文影响还不清楚。本研究采用基因和基因组为核心的宏基因组技术检测十年干旱田间北极漫滩的微生物群落变化，并把它们和CO2、CH4通量及土壤化学性质联系起来。十年干旱引起微生物群落丰度、分类和功能的显著变化，这些变化解释了生态系统和大气间的CO2、CH4释放量。在产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度显著降低的干旱的位点，真菌丰度增加可能使净CO2释放速率增加，并极大地降低CH4释放量。有趣的是，多种微生物群落不成比例地响应干旱处理：Methanoregula（饱和条件下的一种产甲烷关键微生物）几乎消失了，Methylococcales甲烷氧化菌在干旱条件下显著降低。另外，还发现7类新型产甲烷菌的基因组，高度相关的群落基因组代谢重建揭示了产甲烷古菌和互营微生物之间的互营关系。这些结果为陆地碳循环中温室气体动态变化和微生物对长期干旱不成比例的响应提供微生物过程的作用机制，为理解全球变暖引起的土壤干旱对西伯利亚湿地生态系统的影响提供了关键信息。

论文ID

原名：Disproportionate microbial responses to decadal drainage on a Siberian floodplain

译名：西伯利亚漫滩上微生物对十年干旱的不成比例反应

期刊：Global Change Biology

通讯作者：Mincheol Kim

通讯作者单位：韩国极地研究所

DOI号：10.1111/gcb.15785

实验设计

本研究位点是西伯利亚东北部切尔斯基附近的Kolyma河的漫滩，包括排水和对照位点，由于位点内的地势的异质性，又将对照位点分为对照-排水小区（其水位和排水位点相似）和对照小区；排水位点分为排水-湿润位点和排水小区（其和对照位点相似）。我们主要比较对照-湿润和排水-排水小区（如果不是特殊说明，对照位点指对照-湿润位点，排水位点指排水-排水位点），并将对照-排水和排水-湿润位点纳入分析来比较10年排水和水位自然变化对微生物群落， CO2和CH4释放量的影响。

我们利用2014年Kwon et al. (2016，2017和2019) 的CO2和CH4释放量数据，通过乘以表层和深层土壤异养呼吸，计算所有层次的土壤异养呼吸（Rh）。2014年7月，我们用环刀从每个位点采集6个土样，每个环刀都分为有机泥炭层（平均15 cm）和冲积层，每一层又进一步以7.5 cm间隔分开，以保证足够量土壤用于化学和分子分析。有机泥炭层表层15 cm的样品用于分析DNA浓度，因为矿质土壤DNA浓度太低而不能生成宏基因组测序库。采集所有表层（0-7.5 cm）和亚表层（10.5-18 cm），用于微生物分析的样品放在保存液中，并于-20oC保存待用；同时测定土壤水含量、总碳氮含量、pH、水溶性氮、硫酸盐含量。微生物分析包括提取DNA，用定量qPCR技术和基于宏基因组的16S和28S rRNA技术评估细菌、真菌和古菌丰度，用纯化的基因组DNA构建文库和Miseq扩增测序和群落分析，进行宏基因组组装、分类和注释。

实验设计图    

结果

1 CO2和CH4释放量及土壤化学性质

干旱位点表层土壤（0-15 cm）异养呼吸速率（2014年6月中旬到8月中旬，包括生长旺季）显著高于对照位点（对照-湿：0.63 ± 0.15, 干旱-干：1.73 ± 0.46 g C-CO2 m−2 day−1；t = 17.76，p < 0.001；图1a）。所有土层的异养呼吸一起比较时，干旱位点的速率仅比对照位点高6.4%，且差异不显著 (t = 1.33, p > 0.05; 图1a) 。干旱小区的CH4释放速率显著低，表明有少量CH4被净吸收，也就是CH4氧化量超过释放量 (对照-湿: 331.78 ± 168.30, 干旱-干: −1.14 ± 1.58 mg CH4 m−2 day−1; t = −15.58, p < 0.001; 图 1b）。对照-干位点显示和干旱-干位点相似的Rh（0-15 cm）和CH4释放量，干旱-湿位点的释放量范围在对照-湿和干旱-干位点间（图1a，b）。

虽然干旱小区的水位低ca. 20 cm（对照-湿: 2.89 ± 2.34，干旱-干：-18.58±3.43 cm），处理间和深度间的土壤含水量都没有差异（ANOVA：所有p < 0.01；表1）。干旱位点的总碳氮含量比对照位点高，但是在深度间没有差异。碳氮比、pH、在处理和深度间也没有差异。可提取硫含量在处理间没有差异，但在深度间有差异（碳和氮：处理p < 0.01，深度，处理x深度：p > 0.05）。与对照位点相比，干旱位点的铵态氮略微降低，而硝态氮显著降低，且干旱位点高于对照位点。可在附表1查看更详细的土壤化学信息。

图1 CO2和CH4释放量，基于提取的rRNA片段信息的宏基因组分析的微生物群落丰度和分类。（a）0-15 cm和总的异养呼吸（Rh）速率。（b）CH4每日释放速率，负数表示CH4氧化速率超过产生速率。（c）基于细菌、古菌和真菌rRNA基因片段的序列（16S和28S rRNA基因）。（b，c）箱线图表示了第一和第三个四分位数和中位数。条形图上的星形表示对照-干和对照-湿位点的数据（受干旱的轻微影响，红色），以及对照-干（高的土壤地势导致自然干；浅蓝色）处理。T，处理；D，土壤深度；p，用星号表示。**，p

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