《草皮储存下微生物碳氮利用效率方面获新进展》

  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2024-10-28
  •     高寒草甸生态系统在全球碳氮循环与平衡过程中具有十分重要的作用。然而,由于人类活动的加剧,高寒草甸正面临严重的退化和破坏。草皮是一种宝贵而优质的生态恢复材料,因其具有优良的土壤资源和丰富的种子库,在生境恶劣且生长周期短的高寒地区具有广阔的应用前景。目前,虽然已有关注草皮移植恢复成效的研究,但普遍忽视了草皮储存过程的重要性。由于土地占用等原因,剥离的草皮往往无法及时进行移植回铺,进而需要储存一段时间。因此,草皮中植物、土壤和微生物等性质随储存过程的变化将决定草皮移植恢复是否成功。

        基于此,中国科学院成都生物研究所植物功能生态与重大工程区乡土植被恢复创新团队,在四川省康定市新都桥镇开展了草皮储存试验,使用堆叠储存和平铺储存两种常见方法储存剥离的草皮,以自然完整的草甸作为对照(图1),探究了草皮储存对微生物碳、氮利用效率的影响,通过结合植物生物量、土壤和微生物特征,分析微生物资源利用效率对草皮储存的响应及其潜在影响机制。

        结果表明,草皮储存显著降低了植物生物量、凋落物量和土壤pH,但增加了土壤养分水平。酶向量模型表明草皮储存导致微生物养分限制从氮向磷转变,并且堆叠草皮中碳限制高于平铺草皮。与自然草甸相比,草皮储存显著降低了微生物氮利用效率,但平铺草皮中微生物碳利用效率高于堆叠草皮。研究发现,微生物碳、氮利用效率直接受到养分失衡与酶化学计量的调控。本研究首次探究了草皮储存过程中微生物养分限制和资源利用效率的变化,通过比较两种储存方法,加深了对草皮储存的认识。这对于确定草皮的“保质期”、提升草皮恢复成效具有重要理论和实践价值。

        相关成果以Stockpiling turf alters microbial carbon and nitrogen use efficiency on the Tibetan Plateau为题发表在Science of the Total Environment上。本研究由博士研究生黄龙、研究员包维楷、青年研究员李芳兰等人共同完成,受国家自然科学基金(No. 32271654)、中国铁路科技项目(2022KY07)和四川自然科学基金等联合资助(2024NSFSC0010)。

相关报告
  • 《利用植物根际微生物提高磷利用效率》

    • 来源专题:农业立体污染防治
    • 编译者:金慧敏
    • 发布时间:2017-03-31
    • 北卡罗莱纳大学的研究人员定位一种帮助植物根际土壤细菌大量吸收土壤磷素的重要基因开关,把磷素向根系汇集,提高产量。相关工作发表在三月十五日的“自然”(Nature)杂志上,提出了通过微生物的作用提高植物对磷素的利用效率。 Jeff Dangl和资深教授John N. Couch等研究人员介绍说:“我们的研究清晰地表明一种关键转运蛋白PHR1在控制植物在低磷条件下的反应,当植物处于低磷环境时,植物免疫系统下降,增强从土壤中对磷素的吸收。”其研究团队还证实,这些细菌通过养分探查和免疫防护,与植物之间建立起一种共生关系,细菌一方面和植物竞争土壤中磷素会加剧缺磷胁迫,另一方面这些细菌会“敦促”植物开启磷胁迫反应机制。 在另一项室内试验中,该研究团队从本地土壤中分离出35种细菌,并把它们移植到在灭过菌的同一土壤上正常生长的拟南芥(Arabidopsis)的根际,当把这些处理过的拟南芥种植到低磷土壤时,它们对磷胁迫的反应增强了。 研究还发现PHR1和PHL1不仅激活了植物对低磷胁迫的反应, 而且激发了降低免疫活性的基因表达,有利于一致的细菌的落地存活。
  • 《Science | 综述宿主调控微生物组》

    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-07-30
    • 2024年7月19日,牛津大学Kevin R. Foster通讯在Science发表题为Host control of the microbiome: Mechanisms, evolution, and disease的文章,讨论了宿主调控其微生物群的机制。 多细胞生物与其相关微生物群之间的复杂关系长期以来一直被认为是维持健康的关键因素。微生物组由微生物群和宿主因子组成,在宿主生理的各个方面如免疫、营养和认知功能发挥着关键作用。以慢性竞争和快速进化为特征的微生物群的动态性质对宿主构成了重大挑战。为了应对这些挑战,宿主已经进化出一套控制机制,使他们能够塑造和操纵自己的微生物群,以最大限度地提高效益,同时最大限度地减少危害。 宿主控制特征包括影响微生物群的各种机制。这些包括免疫、屏障功能、生理稳态、转运和宿主行为。免疫,特别是脊椎动物的免疫系统,是已知的最复杂的宿主控制机制。它涉及天然免疫和适应性免疫,其中适应性免疫使宿主能够产生新的受体来识别和应对特定的微生物株。植物和动物共有的天然免疫利用模式识别受体来检测常见的微生物特征,从而驱动重塑微生物组并维持正常宿主-微生物组关系的反应。适应性免疫仅在有颌脊椎动物中发现,能学习并改变激活其受体的化学配体,从而对特定的微生物威胁做出量身定制的反应。 屏障功能是主机控制的另一个关键方面。屏障限制了微生物的定植和生长,有些屏障,如哺乳动物皮肤,完全阻断了通道,而另一些屏障,如粘膜上皮,则起到了选择性屏障的作用,限制了转运,但允许化学交换。粘液(mucus)是动物的特征,是容纳微生物群并实现气体交换的保护层。粘液还充当微生物的食物来源和附着位点,宿主可以利用它来塑造微生物群的组成。生理稳态在宿主控制中起着重要作用。宿主可以定义共生菌可以栖息的生态位,不同部位选择不同的微生物群。氧气控制在某些微生物组中尤为重要,促进了共生菌对复杂碳水化合物和其他底物的发酵。总肠道形态的进化也在生理控制中发挥作用,食草动物进化出了复杂的厌氧肠道,使植物材料能够发酵。 迁移(transit),即对微生物组的运动,是另一种宿主控制机制。平滑肌能够实现强有力的、有规律的蠕动收缩,这可以迅速清除导致疾病的共生菌。宿主行为也会影响微生物组。避免变质的食物可以降低摄入病原体的可能性,而对某些口味的偏好可以帮助宿主摄入有益的共生菌。此外,亲属之间特殊共生体的垂直传播也有助于稳定微生物群。 宿主控制机制以多种方式影响微生物组,可以改变存在的共生菌(partner choice,“伴侣选择”)或改变存在的寄生体的表型(partner manipulation ,“伴侣操纵”)。宿主可以通过调节宿主发育过程中的微生物组组装过程来影响共生菌的迁移,还可以通过限制问题共生菌的资源或为有益共生菌提供资源来影响已建立微生物的丰度。宿主可以直接影响驻留共生菌的行为,以增加它们从中获得的益处。最后,宿主可以塑造共生菌之间的相互作用,促进竞争,从而选择为宿主提供益处的生长旺盛的细菌。 共生进化和对抗适应(counteradaptation)对宿主来说是一把双刃剑。如果微生物的快速进化能够为微生物组内的有益性状产生自然选择,那么它就可以成为宿主控制的机会。然而,如果共生体进化使共生体能够逃避宿主的控制,也可能是一个问题。宿主控制机制通常针对微生物表型而不是基因型来限制反进化(counterevolution)。尽管如此,一些共生菌进化出了绕过宿主控制机制的方法,为宿主控制在共生菌进化中的作用提供了令人信服的证据。 疫苗接种提供了一种针对肠道微生物组中特定细菌的潜在策略。通过恢复肠道中的厌氧环境或调节关键营养素来增强宿主对共生体代谢的控制也可能是有益的。特别是随着年龄的增长,我们的微生物组变得更加多变和容易患病,促进健康粘液层和宿主上皮屏障完整性的策略具有明显的潜在健康益处。 总之,宿主控制机制是由自然选择形成的,以应对微生物组固有的(注意是inherent不是innate或inborn)多样性和可变性。了解这些机制对于理解微生物组和操纵它们以改善健康至关重要。