Nature：土壤微生物组对极端事件表现出一致且可预测的响应

Nature：土壤微生物组对极端事件表现出一致且可预测的响应

随着全球气候变化的加剧，极端气候事件频发，对陆地生态系统构成严重威胁。土壤微生物作为生态系统的关键组成部分，其对极端气候的响应机制一直是科研人员关注的重点。近期发表在《Nature》上的一项研究，通过模拟干旱、洪水、冰冻和高温等极端气候事件，揭示了土壤微生物群落在全球尺度上的一致性响应模式及其与局部环境的关联性，为预测极端气候对土壤功能的影响提供了重要参考。

研究背景

土壤微生物在地球生物地球化学循环中扮演着重要角色，特别是在碳、氮、磷等养分的循环中。近年来，虽然已有大量研究关注土壤微生物对极端气候事件的响应，但大多数研究局限于单一土壤或生态系统，缺乏跨区域的比较分析。此外，对于洪水、高温或冻结等极端事件的响应研究相对较少，而这些事件对生态系统的影响同样不容忽视。

科学假设

研究基于以下假设展开：

1. 不同极端气候事件使不同来源的土壤微生物群落向同一方向改变；
2. 相似的扰动使土壤微生物群落以相同的方向改变；
3. 本土气候条件选择了土壤微生物类群，使它们能够应对当地气候生态位中经常发生的极端气候事件。

研究设计

研究团队从欧洲10个国家的30个草原采集土壤样本，并将这些土壤置于统一控制条件下，模拟4种极端气候事件（干旱、洪水、冰冻和高温）。同时设置一个维持恒定温度和湿度的对照组，以比较极端气候事件对土壤微生物群落的影响。

研究结果

1. 全球尺度上的统一性响应

研究发现，尽管土壤微生物群落在组成上存在显著差异，但在极端气候事件的扰动下，展现出高度一致性。具体表现为：

• 干旱和冰冻事件导致相似的群落变化方向，这可能是因为两者都会引发土壤水分的显著减少，从而诱导耐旱性和耐冻性微生物的优势化。
• 洪涝则表现出与干旱和冰冻相反的干扰效果，富集了耐水性的微生物种群。

图1. 从欧洲各地收集的施加极端气候事件的实验设计及其对土壤的影响

2. 局部环境决定敏感性

研究进一步分析了土壤微生物对极端气候事件的敏感性，发现这种敏感性与局地的土壤和气候条件密切相关：

• 来自寒冷湿润地区的土壤对高温和干旱的抵抗力最低，而来自干旱炎热地区的群落则表现出更强的抗干扰能力。
• 在寒冷地区，土壤微生物对冰冻干扰的恢复能力较强；而在湿润地区，土壤微生物更容易受洪涝的长期影响。

3. 功能基因的广泛变化

基于宏基因组测序的功能基因组分析显示，多达46%的功能基因在极端事件中发生了显著变化。具体表现为：

• 湿润环境富集了与氮、钾、芳香族化合物代谢相关的基因，这与该地区资源丰富、微生物以迅速繁殖为主的富营养型生长策略相一致。
• 高pH且干旱环境则富集了与休眠、孢子化、蛋白质和碳水化合物代谢相关的基因，表明贫营养型生长策略的微生物通过降低代谢活动来应对资源匮乏的压力。
• 高温环境对微生物功能基因的影响最为显著，增强了休眠与孢子化基因的表达，同时显著降低了代谢多样性。

图3. 极端气候事件干扰下蛋白质功能丰度的变化

研究意义

这项研究通过600个独立微宇宙实验，揭示了土壤微生物群落在全球尺度上对极端气候事件的一致性响应模式及其与局部环境的关联性。这些发现不仅深化了我们对土壤微生物对极端事件反应的理解，更为预测极端气候事件对土壤功能的影响提供了重要参考，为气候适应性土壤管理奠定了科学基础。

研究创新

1. 突破土壤类型和生物地理区域限制，模拟极端气候事件对土壤微生物群落及其功能的影响；
2. 发现土壤微生物对极端气候的响应不仅受干扰强度的影响，还受局地土壤物理化学性质及气候条件的限制，从而影响生态系统碳氮循环。

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08185-3