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根系調(diào)控微生物氮的過程以實(shí)現(xiàn)高寒針葉林根際銨根離子高效供應(yīng)

日期： 2021-09-03

標(biāo)簽:

根系調(diào)控微生物氮的過程以實(shí)現(xiàn)高寒針葉林根際銨根離子高效供應(yīng)

?根系調(diào)控微生物氮的過程以實(shí)現(xiàn)高寒針葉林根際NH₄⁺高效供應(yīng)

論文id：http://link.springer.com/article/10.1007/s10533-021-00811-w

“

原名：Roots regulate microbial N processes to achieve an efficient NH₄⁺?supply in the rhizosphere of alpine coniferous forests

譯名：根系調(diào)控微生物氮的過程以實(shí)現(xiàn)高寒針葉林根際NH₄⁺高效供應(yīng)

期刊：Biogeochemistry

IF：4.161

發(fā)表時(shí)間：2021.06.07

第一作者：?朱曉敏

通訊作者：?尹華軍

主要單位：中國科學(xué)院成都生物研究所

”

摘要：雖然已有很多證據(jù)表明根碳（C）輸入可以深刻地調(diào)節(jié)礦質(zhì)氮（N）循環(huán)過程，但是根系是否差異地調(diào)控NH₄⁺和NO₃^-產(chǎn)生和留存的根際效應(yīng)（RE）尚未闡明。采用¹⁵N穩(wěn)定性同位素標(biāo)記技術(shù)，我們探究了高寒針葉林植物根系如何通過根際過程差異化地調(diào)控NH₄⁺和NO₃^-產(chǎn)生和留存以影響土壤N有效性。同時(shí)，測(cè)定了根際和非根際土壤一系列N循環(huán)相關(guān)的酶活性以及土壤理化性質(zhì)以探究潛在機(jī)理。結(jié)果顯示根系通過在總N礦化，NH₄⁺的微生物固持和硝酸鹽異化還原為銨（DNRA）的過程上誘導(dǎo)正向的根際效應(yīng)來促進(jìn)根際NH₄^-有效性。這些過程的正向根際效應(yīng)可歸因于根際具有較高的微生物C、N含量和較高的氮循環(huán)相關(guān)酶活性。與之相反，由于根際較高的土壤C:N比和微生物NH₄⁺固持，根系誘導(dǎo)了負(fù)向的NO₃^-根際效應(yīng)，導(dǎo)致根際較低的NO₃^-有效性?？偠灾?，我們的結(jié)果提供了野外實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明高寒針葉林中植物根系能夠促進(jìn)NH₄⁺的產(chǎn)生與留存，并限制NO₃^-的產(chǎn)生以實(shí)現(xiàn)根際高效的NH₄^-供給。這些發(fā)現(xiàn)為認(rèn)識(shí)植物如何通過調(diào)節(jié)根際土壤微生物氮過程來維持養(yǎng)分供應(yīng)和生長(zhǎng)提供了全面的見解。

研究背景：

土壤氮養(yǎng)分有效性是高寒森林生產(chǎn)力和結(jié)構(gòu)、功能穩(wěn)定性的重要限制元素。前期大量研究表明高寒針葉樹種根系偏好吸收NH₄⁺，且相對(duì)于非根際區(qū)而言，根際通常具有更高的銨態(tài)氮（NH₄⁺）養(yǎng)分供給模式。然而目前對(duì)上述生態(tài)現(xiàn)象的根際土壤N素循環(huán)微生物調(diào)控過程尚不清楚，很大程度上制約了高寒森林群落結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定的根際養(yǎng)分維持機(jī)制這一前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題的深入認(rèn)識(shí)。

一般認(rèn)為，土壤中NH₄⁺和NO₃^-的相對(duì)有效性取決于一系列微生物N轉(zhuǎn)化過程的相對(duì)速率，包括礦質(zhì)N生產(chǎn)（即總礦化和總硝化）和保留（即微生物固定NH₄⁺和NO₃^-）和異化硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮(DNRA)。這些過程速率的大小受到了一系列生物和非生物過程的調(diào)控，包括土壤理化性質(zhì)（如C有效性、C:N比、pH、陽離子交換力等）和微生物特征（如微生物生物量、微生物C:N比、群落結(jié)構(gòu)組成和N循環(huán)相關(guān)酶活性）。由于根系形態(tài)、根系沉積和菌根共生體的形成將會(huì)顯著地引起根際和非根際土壤在理化和生物學(xué)特征上的巨大時(shí)空變化，可能引起兩個(gè)土壤部位N循環(huán)的顯著差異。然而，以往的研究大都將土壤作為一個(gè)整體單元，而沒有區(qū)分根際土壤和非根際土壤，限制了對(duì)植物如何增強(qiáng)自身養(yǎng)分獲取以及將N在植物-土壤系統(tǒng)中留存能力生物認(rèn)識(shí)。

主要結(jié)果：

根際和非根際土壤中NH4+產(chǎn)生與留存

相比于非根際土壤而言，根際具有較高的NH₄⁺產(chǎn)生和留存速率（圖1a，c）。在人工林中，根際土壤總氮礦化與微生物NH₄⁺固持速率分別比非根際的高出66%和109%。而天然林中，根際土壤總氮礦化與微生物NH₄⁺固持速率分別比非根際的高出32%和98%。

根際和非根際土壤中NO₃^-的產(chǎn)生與留存

根際和非根際土壤NO₃^-產(chǎn)生與留存過程速率的差異因特定的過程而異。人工林和天然林根際總硝化速率分別比非根基土壤低32%和24%，而微生物NO₃^-固持速率則在根際和非根際土壤之間并無顯著差別（圖1?b, d）。在兩個(gè)林子中，根際DNRA速率分別比非根際高106%和164%（圖1e）。

圖 1 高寒針葉人工林和天然林根際/非根際土壤總氮轉(zhuǎn)化速率。（a）總N礦化速率；(b)總硝化速率(c)微生物NH₄^-固持；(d)微生物NO₃^-固持；(e)硝酸鹽異化還原為銨。

特定氮循環(huán)過程的速率比

兩個(gè)林子的根際土壤GN:GM比均低于非根際土壤，暗示了根際氮循環(huán)以NH₄⁺為主導(dǎo)，而非根際氮循環(huán)則以NO₃^-為主導(dǎo)。此外，根際IA:GM比和IN:GN均顯著高于非根際土壤，表明根際土壤微生物對(duì)新產(chǎn)生NH₄⁺和NO₃^-留存的貢獻(xiàn)要顯著高于非根際微生物。

圖2 高寒針葉人工林和天然林根際和非根際土壤（a）總硝化:總礦化比率（相對(duì)硝化）；（b）微生物NH4⁺固持:總礦化比率；（c）微生物NO3^-固持:總硝化比率

總N循環(huán)與根際/非根際土壤生物、非生物因子之間的關(guān)系

在兩個(gè)林子中大多數(shù)土壤理化特征表現(xiàn)出根際顯著高于非根際的情況，如SOC含量、C:N比、NH₄⁺和K⁺，少數(shù)幾個(gè)則僅在人工林中差異顯著（如DOC、NO₃^-和Al³⁺）（表1）。根際土壤微生物量C、N含量、微生物與資源之間的C:N化學(xué)失衡均高于非根際土壤（圖3）。兩個(gè)林子中，大多數(shù)參與N循環(huán)的酶活性均表現(xiàn)出根際高于非根際的情況，如蛋白酶、NAG、POC?和NIR酶（表3）。

相關(guān)分析表明，土壤礦質(zhì)N的產(chǎn)生（GM和GN）以及留存（IA, IN和DNRA）在很大程度上與土壤理化性質(zhì)、微生物生物量以及氮循環(huán)相關(guān)酶活性顯著相關(guān)（圖4）。

表1?云杉人工林和天然林表層礦質(zhì)土壤（0-15cm）土壤理化性質(zhì)

圖 3 高寒針葉人工林和天然林根際/非根際土壤微生物生物量C、N、C:N比以及微生物與資源之間C:N化學(xué)計(jì)量失衡比。微生物與資源之間C:N化學(xué)計(jì)量失衡比表示為SOC:TN與MBC:MBN之比，反映了微生物養(yǎng)分限制的相對(duì)程度。

表 2 人工林和天然林根際/非根際土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性

圖 4 云杉人工林(a)和天然林林(b)土壤理化特征、微生物特性和總氮轉(zhuǎn)化的Pearson相關(guān)系數(shù)(R)。

結(jié)論：

我們的研究發(fā)現(xiàn)高寒針葉林植物根系可以通過調(diào)控不同的N生產(chǎn)和留存過程來實(shí)現(xiàn)根際高效的NH₄⁺供給模式：（1）刺激微生物活性以促進(jìn)NH₄⁺生產(chǎn)和固持；和（2）限制導(dǎo)致N損失的微生物過程?（例如,硝化作用），或促進(jìn)NO₃^-向NH₄⁺的轉(zhuǎn)化（即DNRA）（圖5）。本研究結(jié)果為深入理解高寒森林根系養(yǎng)分獲取策略及其群落結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性維持的根際養(yǎng)分維持機(jī)制提供了新見解。

圖5 高寒針葉林根際土壤總N產(chǎn)生與留存概念框架示意圖。

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土壤酶活的分類與方法分析

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2024 - 11 - 21

土壤酶活性，是指土壤酶催化物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力。常以單位時(shí)間內(nèi)單位土壤的催化反應(yīng)產(chǎn)物量或底物剩余量表示。土壤酶活性既包括已積累于土壤中的酶活性，也包括正在增殖的微生物向土壤釋放的酶活性，它主要來源于土壤中的微生物，動(dòng)物和植物。土壤酶活的分類：已知的酶根據(jù)酶促反應(yīng)的類型可分為六大類。即水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、異構(gòu)酶和連接酶。1. 水解酶類：酶促各種化合物中分子鍵的水解和裂解反應(yīng)。主要包括蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶等。2.氧化還原酶類：指催化兩分子間發(fā)生氧化還原作用的酶的總稱。主要包括脫氫酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶等。3.轉(zhuǎn)移酶類：指能夠催化除氫以外的各種化學(xué)官能團(tuán)從一種底物轉(zhuǎn)移到另一種底物的酶類，包括轉(zhuǎn)氨酶、果聚糖蔗糖酶、轉(zhuǎn)糖苷酶等。4.裂合酶類：指催化由底物除去某個(gè)基團(tuán)而殘留雙鍵的反應(yīng)、或通過逆反應(yīng)將某個(gè)基團(tuán)加到雙鍵上去的反應(yīng)的酶的總稱，主要包括谷氨酸脫羧酶、天門冬氨酸脫羧酶等。5.異構(gòu)酶類：酶促有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成它的異構(gòu)體的反應(yīng)。6.連接酶類：是一種催化兩種大型分子以一種新的化學(xué)鍵結(jié)合一起的酶。測(cè)定方法分析：1.生化培養(yǎng)法作為酶活測(cè)定的重要方法之一，其又細(xì)分為分光光度法和滴定法。分光光度法：其基本原理是酶與底物混合經(jīng)培養(yǎng)后產(chǎn)生某種帶顏色的生成物，可在某一吸收波長(zhǎng)下產(chǎn)生特征性波峰，再用分光光度計(jì)測(cè)定設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)物及生成物的吸光值，由此確定酶活性的含量。滴定法：如果產(chǎn)物之一是自由的酸性物質(zhì)可用此法。如脂肪酶催化脂肪水解釋放出脂肪酸，脂肪酸的含量可以通過滴定進(jìn)行定量，通過計(jì)算反應(yīng)過程中脂肪酸的增加量就可以計(jì)算出脂肪酶的酶活力。2.熒光法熒光法是一種基于熒光信號(hào)的酶活測(cè)定方法，其原理是通過測(cè)量酶促反應(yīng)中熒光物質(zhì)的變化來推算酶活性。熒光法具有較高的靈敏度和選擇性，...
青藏高寒草甸氮磷供應(yīng)調(diào)控土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性

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草原土壤儲(chǔ)存有439 Gt有機(jī)碳（SOC），在調(diào)節(jié)區(qū)域乃至全球氣候變化進(jìn)程中起著重要作用。然而，全球氣候變化背景下，大氣氮沉降的“施肥效應(yīng)”強(qiáng)烈地影響著土壤碳儲(chǔ)存。因此，明確高寒草甸SOC組分對(duì)氮、磷富集的響應(yīng)和潛在機(jī)制至關(guān)重要。西南民族大學(xué)高寒濕地生態(tài)保護(hù)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)馬文明副研究員課題組依托青藏高原生態(tài)保護(hù)與畜牧業(yè)高科技研究示范基地和四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站以紅原高寒草甸為研究對(duì)象進(jìn)行了長(zhǎng)期氮磷添加實(shí)驗(yàn)。采取隨機(jī)區(qū)組用尿素(CO(NH2)2)和過磷酸鈣(Ca(H2PO4)2·H2O)設(shè)計(jì)7個(gè)施肥梯度，氮肥施尿素(46.65%N)，磷肥施過磷酸鈣(16%P2O5)，施肥梯度分別為（0g尿素+0g過磷酸鈣）/m2(CK)、（10g尿素）/m2(N10)、（30g尿素）/m2(N30)、（10g過磷酸鈣）/m2(P10)、（30g過磷酸鈣）/m2(P30)（5g尿素+5g過磷酸鈣）/m2(NP10)、（15g尿素+15g過磷酸鈣）/m2(NP30)。研究發(fā)現(xiàn)，氮和磷添加導(dǎo)致 SOC含量增加19.95%–36.66%；在相同施肥條件下，SOC含量隨著施肥梯度的增加而增加，在N30處理下達(dá)到最高；N和P添加促進(jìn)了脂肪族碳和芳香族碳的富集；與其他處理相比，NP30處理下SOC的穩(wěn)定性最高，而P10處理下SOC的穩(wěn)定性最低。表明N和P添加促進(jìn)了不穩(wěn)定碳的損失和穩(wěn)定碳的富集，從而提高了SOC的穩(wěn)定性，促進(jìn)了高寒草甸SOC的封存?？傮w而言，氮磷添加改變了高寒草甸土壤有機(jī)碳的理化性質(zhì)以及SOC的官能團(tuán)組成，進(jìn)而促進(jìn)了SOC積累。因此，在退化的生態(tài)系統(tǒng)中添加氮和磷可能是改善土壤碳固存的有效措施。該項(xiàng)研究近期以題為Nitrogen and phosphorus supply controls stability of soil organic carbon in...
同位素指標(biāo)測(cè)定

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栢暉生物特色檢測(cè)指標(biāo)——同位素的測(cè)定：更所檢測(cè)相關(guān)訊息so栢暉生物了解更多
文獻(xiàn)解讀| 林冠和林下氮素添加對(duì)溫帶森林土壤微生物殘?bào)w碳的影響不同

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栢暉文獻(xiàn)解讀原名：Canopy and understory nitrogen additions differently affect soil microbial residual carbon in a temperate forest譯名：林冠和林下氮素添加對(duì)溫帶森林土壤微生物殘?bào)w碳的影響不同期刊：Global Change BiologyIF：10.8發(fā)表日期：2024.7（網(wǎng)絡(luò)首發(fā)2024.7）第一作者：Yuanqi Chen，湖南科技大學(xué)1背景對(duì)森林的研究主要集中在林下加氮對(duì)微生物和微生物殘?bào)w的影響上，但對(duì)自然界氮沉積的主要途徑——植物冠層氮沉積的影響還沒有明確的探討。本文研究了10年N添加量(25和50 kg N ha?1yr?1)和模式(冠層和林下)對(duì)溫帶闊葉林土壤微生物殘?bào)w的影響。2假設(shè)（1）N的添加減輕了微生物對(duì)N的限制，增加了土壤中微生物生物量和微生物殘?bào)w碳；（2）冠層氮的截留減少了直接進(jìn)入土壤的氮量，所以林下N的添加對(duì)微生物殘?bào)w的影響比冠層N的添加更強(qiáng)。3材料與方法（1）本研究在中國河南省雞公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)大別山國家級(jí)森林生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)研究站(北緯31°46′~ 31°52′，東經(jīng)114°01′~ 114°06′)進(jìn)行；（2）共隨機(jī)設(shè)4個(gè)區(qū)組。每個(gè)塊包含5個(gè)處理：CT(對(duì)照，不添加氮素)、CN25 (25 kg N / ha?1yr?1冠層添加氮素，低氮)、CN50 (50 kg N /ha?1yr?1冠層添加氮素，高氮)、UN25 (25 kg N / ha?1yr?1林下添加氮素，低氮)和UN50 (50 kg N / ha?1yr?1林下添加氮素，高氮)；（3）施氮方式為NH4NO3溶液，4 ~ 10月每月施氮(每年7次)。為了增加樹冠N，在每個(gè)地塊的中心設(shè)置了一個(gè)35米高的塔，以支持灑水裝置和抽...

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案例名稱：孵化中心

說明：栢暉生物科技有限公司項(xiàng)目孵化中心成立于2015.06.01日，研發(fā)領(lǐng)域涉及生物試劑耗材、儀器、新產(chǎn)品開發(fā)及各生物科技服務(wù)類項(xiàng)目等。自成立以來，陸續(xù)吸引了大批專家教授加盟合作，并與全國數(shù)十家高校及知名企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系。中心共有博士及以上學(xué)位骨干人員10人，專門負(fù)責(zé)公司新產(chǎn)品研發(fā)等工作，已成功研發(fā)出無線溫度監(jiān)控器及NO檢測(cè)試劑盒等產(chǎn)品（詳情見成功案例），另有細(xì)胞分選儀等三個(gè)項(xiàng)目正在積極孵化當(dāng)中。

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案例名稱：孵化中心流程

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