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宏基因组文献解读|城市化驱动的森林土壤温室气体排放:利用宏基因组解析土壤细菌在碳氮循环中的作用

 

简介

 

城市森林土壤细菌在调控温室气体排放中至关重要,特别是在城市化进程影响下。本研究采用16S和宏基因组测序来检测参与C/N循环的土壤细菌群落的结构和潜在功能。

 

结果显示,城市森林土壤的CH4和CO2排放量显著增强,城市中心的N2O排放量尤为突出,与城市样本细菌α多样性、C/N循环基因丰度的增加有关。同时,土壤pH值和金属含量影响了关键菌群和N2O排放,土壤重金属含量是CH4排放的主要贡献者,可能是通过对产甲烷菌和甲烷营养菌的影响。

 

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英文标题:Urbanization-driven forest soil greenhouse gas emissions: Insights from the role of soil bacteria in carbon and nitrogen cycling using a metagenomic approach

中文标题:城市化驱动的森林土壤温室气体排放:利用宏基因组解析土壤细菌在碳氮循环中的作用

发表期刊:Science of the Total Environment

影响因子:9.8

发表时间:2024年03月

作者及单位:何功秀团队,中南林业科技大学

 

 技术路线 

 

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 部分主要结果 

 

1. GHG通量的城市化模式

 

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在城市中心(U和G)观察到的CH4和CO2排放量高于低城市化强度的S和M(图B-C),U点的N2O排放量比其他三个点高24.0%(G)、13.8%(S)和13.5%(M)(图D)。城市化显著增加了森林土壤的GHG排放量。

 

2. GHG通量与微生物群落结构的关系

 

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U、G点的特有细菌比S、M位的多,与郊区土壤相比,城市森林土壤中Actinobacteriota等相对丰度有所下降,而Methylomirabilota等表现出增加的趋势(图A)。城市(U、G)和郊区(S、M)土壤细菌群落间的差异通过β多样性的结果得到了展示(图B)。

 

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城市化增加了U和G点的土壤细菌α多样性(图C–E),G点的Shannon、丰富度和Chao1指数分别比M点高7.0%、21.3%和20.9%。城市和郊区森林土壤细菌之间的区别不是单指细菌的总丰富度,而是细菌丰度、多样性和组成,这可能是影响温室气体排放的主要因素。

 

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网络分析显示城市中的关键菌种比郊区更为多样化(图F)。Actinobacteriota等与CH4通量显著负相关,Desulfobacterota等与CH4和CO2排放显著正相关(图G)。

 

3. 影响GHG通量的功能基因

 

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与G、M和S点相比,U点氮循环相关的amoA基因的总丰度分别增加了2.64倍、1.36倍和2.77倍。碳循环相关基因(aclB、bsdC等)在城市地区的表达明显高于郊区。

 

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amoA基因与N2O排放呈正相关最强(图B)。甲烷氧化过程的功能基因如pomA/B/C仅在U点上调,并与CH4排放显著相关(图C)。可见城市化增加了多种功能基因的丰度,加速了碳和氮循环的进程,极大地影响了GHG排放。

 

4. 宏基因组分箱揭示影响GHG的核心菌群

 

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分箱得到142个与CH4和N2O显著相关的高质量MAG,其中优势菌为Acidobacteriota等(图A),其中,与GHG排放密切相关的中心MAG(hub MAGs)主要关联到了一些特定的参与氮循环和有机碳氧化的功能基因,如napA、nosZ等(图B)。

 

5. 环境因素解析

 

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土壤pH值及金属元素含量对反硝化(napA、nosZ)、DNRA(nrfH)和固氮(nifH)基因的丰度有正向和负向调节作用,所有这些都对N2O产生不利影响(图A)。土壤环境因素分别解释了46.0%、23.4%、59.4%和38.2%的nrfH、nifH、nosZ和napA的变化(图B–E)。土壤pH和Ca含量对nrfH、nosZ和napA的丰度有显著影响(图B、D、E)。土壤K和Al也与nrfH和nifH显著相关(图C-D)。

 

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为进一步探究参与N2O循环的核心菌种,分析了一组含高丰度的关键基因的MAGs。这些MAGs被鉴定为Acidobacteriota、Proteobacteria、Methylomirabilota、Gemmatimonadota和Desulfobacterota(图F)。

 

 小结 

 

城市森林土壤中N2O和CH4排放量的增加与功能基因丰度的增加和碳氮循环的加速有关,其中Acidobacteriota等为主要介质。推测在未来,城市化产生的趋同可能会对郊区森林生态系统服务功能产生负面影响。

 

参考文献:

Jing Li, et al. Urbanization-driven forest soil greenhouse gas emissions: Insights from the role of soil bacteria in carbon and nitrogen cycling using a metagenomic approach. Science of The Total Environment. 2024.

 

 

 

 

 

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