植物菌根互作調(diào)節(jié)了植物氮（N）的限制，并可以為CO2增加對植物生長影響的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度提供模型預(yù)測信息。在成熟的溫帶森林中，隨著自然土壤養(yǎng)分梯度的增加，紅櫟（Quercus rubra L.）對CO2增加?(iCO2)的施肥反應(yīng)呈積極的、但依賴于環(huán)境的樹木年代學(xué)證據(jù)。我們通過外生菌根（ECM）真菌N覓食性狀相關(guān)的宏基因組測量和植物吸收無機(jī)氮（IN）和土壤有機(jī)質(zhì)綁定N (N-SOM)的樹木年代學(xué)模型共同來研究這種異質(zhì)性響應(yīng)。在IN有效性較低的土壤條件下，N-SOM可以促進(jìn)樹木生長，ECM真菌群落具有更大的降解SOM和獲得N-SOM的基因組潛力。這些樹經(jīng)歷了38年的持續(xù)CO2施肥。相比之下，植物在IN豐富的土壤中生長，與之共生的ECM真菌群落具有較低的SOM降解能力，iCO2對樹木生長并無顯著影響。本研究闡明了ECM真菌群落的N覓食性狀分布會如何影響樹木對N-SOM的獲取及后續(xù)其對iCO2的生長響應(yīng)。

逐漸升高的CO2刺激了全球范圍內(nèi)的總初級生產(chǎn)力，地球系統(tǒng)模型（ESM）指出這種效應(yīng)可延續(xù)至2070年。雖然全球范圍的研究推斷出適度的歷史施肥效應(yīng)，但在成熟森林生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模上，CO2增加刺激生產(chǎn)力的證據(jù)尚不明確。在成熟森林中進(jìn)行的CO2富集控制實(shí)驗(yàn)表明CO2升高（eCO2）對樹木生長存在著正的、適度的和飽和的響應(yīng)。氮（N）有效性，特別是在成熟的森林被廣泛認(rèn)為制約了樹木生長對CO2的響應(yīng)。

植物氮限制通常與IN的有效性有關(guān)，而IN需通過微生物礦化土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)轉(zhuǎn)化而成。相比之下，土壤有機(jī)質(zhì)綁定N (N-SOM)被認(rèn)為是植物無法直接獲得的， ESM模型中很少考慮N-SOM的作用。然而，對N-SOM的收收可能是特定植物短期適應(yīng)IN供給不足的重要途徑。植物對N-SOM的吸收取決于外生菌根(ECM)真菌共生體的活性。ECM真菌可能酶降解和非酶降解機(jī)制獲得N-SOM。盡管ECM群落為植物提供了大部分的N，但ECM群落及其N-覓食特性與植物對iCO2響應(yīng)之間關(guān)系的研究及其缺乏，極大地限制ECM宿主植物生長對iCO2相應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)測。

植物與ECM形成互惠共生關(guān)系以最大化獲取氮和最小化植物碳（C）支出（C投資的N收益）。不同的ECM類群降解SOM的能力差異很大，更強(qiáng)的分解能力需要更多的植物C投資。在IN有效性較低的條件下，選擇獲取N-SOM可能更加有利。我們推測由于N- SOM和IN都對樹木生長有貢獻(xiàn)。因此,與具有更強(qiáng)分解潛力的ECM群落共生的樹木（即生長在IN貧乏土壤中）的對iCO2的響應(yīng)最大。相反，樹木氮源以IN為主（即生長在IN豐富的土壤中），樹木對iCO2的生長效應(yīng)較小（圖1）。本研究旨在，（1）闡明N-SOM對樹木生長的貢獻(xiàn)；（2）沿著自然土壤IN梯度，量化ECM真菌群落聚集降解性狀（CADT）；（3）揭示CADT和樹木N-SOM獲取與樹木對iCO2響應(yīng)的關(guān)系。

圖1. 不同氮（N）形式對樹木生長的假設(shè)性貢獻(xiàn)(紅色和橙色線; y-軸)以及樹木對歷史性CO2 增加（iCO2）的反應(yīng)。這些響應(yīng)隨無機(jī)氮供應(yīng)速率的變化而變化(凈氮礦化速率:x軸)。深藍(lán)色箭頭表示iCO2相對化施肥反應(yīng)(箭頭寬度)。利用宏基因組學(xué)方法估算了ECM真菌群落組成、形態(tài)性狀和群落聚集衰變性狀(CADT)，并假設(shè)它們隨土壤無機(jī)氮有效性的變化而變化。注:假設(shè)ECM類群的優(yōu)勢地位在超根根狀菌絲和中長距離探索形態(tài)上發(fā)生了轉(zhuǎn)變。根上的白色斑點(diǎn)表示ECM根尖的相對豐度

1）樹木年代學(xué)模型與植物N吸收

在考慮了其他生長限制因素后，沿著土壤凈氮礦化(即IN供應(yīng))的梯度，樹木年增長率（BAI）是一致的(圖2A)。然而，如果在樹木生長（BAI）中增加N-SOM這一預(yù)測因子后，則觀察到生長速率與IN供應(yīng)之間的關(guān)系將被削弱。(圖2A中的斜率變小，紅色)。我們發(fā)現(xiàn)植物生長促進(jìn)效應(yīng)與N礦化梯度的拐點(diǎn)出現(xiàn)在0.53±μg IN g-1d-1 (Fig. 2B)，BAI和凈N礦化率之間存在顯著的變化點(diǎn)，變化點(diǎn)左側(cè)的斜率明顯比右側(cè)的斜率更弱（更?。?。在BAI統(tǒng)計(jì)變化點(diǎn)以下的樹木生長顯著大于僅基于無機(jī)氮貢獻(xiàn)的預(yù)測。在考慮了其他生長限制變量后，我們將這高于預(yù)期的生長響應(yīng)解釋為N-SOM對樹木生長的假定貢獻(xiàn)。

2） 外生菌根群落分析

與模擬BAI對土壤無機(jī)氮有效性的響應(yīng)一致，ECM群落的組成和形態(tài)特征也發(fā)生了顯著變化。這些變化與假設(shè)的N-SOM和無機(jī)N對樹木生長的貢獻(xiàn)相一致（圖 3）。無機(jī)氮有效性低的條件下，ECM群落中Cortinarius占優(yōu)勢（圖 3A）。Cortinarius被認(rèn)為可分泌大量的氧化酶參與N-SOM的獲取。相反，在高無機(jī)N有效性條件下，Russula占優(yōu)勢（圖 3B）。其他ECM類群，如衍生自白腐菌的Hebeloma，在低無機(jī)氮土壤中存在相對較高的豐度，可能也有助于本文所觀察到的功能轉(zhuǎn)移。我們還檢測了形成根狀菌絲和外延菌絲的ECM類群的相對豐度，以及與獲得有機(jī)氮相關(guān)的形態(tài)特征。形成根狀菌絲的ECM屬和中距離探測類型的相對序列豐度，在BAI變化點(diǎn)以下的紅櫟個(gè)體顯著大于在統(tǒng)計(jì)BAI變化點(diǎn)以上的個(gè)體(圖3C, D)。

生長響應(yīng)與N-SOM吸收一致的紅櫟（Q. rubra）個(gè)體（即生長在低無機(jī)N土壤中的個(gè)體），其ECM群落具有明顯的降解SOM的特征。這些ECM群落通常具有更高的CAZy 基因（圖 3E）。在BAI改變點(diǎn)以下顯著富集的幾個(gè)關(guān)鍵基因家族包括纖維二糖脫氫酶(AA3_1)和裂解多糖單加氧酶(LPMO’s: AA9, AA10, AA11)，它們共同作用于降解SOM（Fig. 3F）。GDM分析表明，ECM降解基因的組成豐度對凈N礦化率表現(xiàn)出強(qiáng)烈的群落閾值響應(yīng)（最大值為0.5μg IN g soil-1 d-1））。這一ECM群落的臨界響應(yīng)值與BAI閾值是一致的，表明了在IN有效性較低的土壤中，低于該閾值的ECM群落具有相似的基因組降解潛力。在BAI閾值一下，隨著無機(jī)氮有效性逐漸降低，某些ECM基因家族的轉(zhuǎn)錄差異可能解釋了N- SOM對樹木生長的潛在貢獻(xiàn)更大。

3）樹木生長響應(yīng)

我們計(jì)算了每棵樹的年生長氮效率(GNE)，以該值為年大氣二氧化碳量的應(yīng)變量（圖 4A, D）。采用變化點(diǎn)分析法分析每棵樹的斜率參數(shù)(λ)(即，iCO2效應(yīng))作為凈N礦化率的應(yīng)變量（圖 4 B, E）。模型估算顯示在N礦化梯度上，樹木生長和CO2效應(yīng)(λ)的變化點(diǎn)為凈氮轉(zhuǎn)化速率成為0.39±0.01 μg IN g?1 soil d?1（圖 4 E）。土壤凈N轉(zhuǎn)化低于這一點(diǎn)時(shí)，CO2 濃度增加促進(jìn)GNE，導(dǎo)致CO2施肥的正效應(yīng)；相反，生長更高的IN有效應(yīng)土壤中?（即該拐點(diǎn)的右邊），CO2的施肥效應(yīng)不顯著（圖 4F）。

圖2. 無機(jī)氮和N-SOM對植物生長的貢獻(xiàn)分析框架和模型。（A）樹木生長作為凈氮礦化率應(yīng)變量的代表性分析。變化點(diǎn)分析確定拐點(diǎn)的發(fā)生和位置，以及每邊的斜率參數(shù)值。（B）基徑面積增量（BAI），取自沿著研究的凈氮礦化梯度(黑色圓圈代表單個(gè)生長年)的54棵紅櫟樹。紅色和藍(lán)色線表示模型估計(jì)的BAI均值和95% PI在識別的變化點(diǎn)(BAI變化點(diǎn);估算值是根據(jù)其他協(xié)變量的平均值計(jì)算的)。R2表示總體貝葉斯模型擬合度。（C）?斜率參數(shù)之間存在顯著差異(95% CIs不重疊;不同的字母表示(n = 54))。星號表示參數(shù)不等于零(95% CI不與零重疊)。

圖3. 土壤N梯度下ECM群落組成、形態(tài)和功能轉(zhuǎn)化與其N覓食性狀的協(xié)同關(guān)系。A和B.沿凈氮礦化速率梯度（x軸）ECM真菌Cortinarius和Russula的相對序列豐度。彩色條帶描述了GAM擬合曲線；C. 箱式-須狀圖描述了BAI閾值以上及以下ECM真菌形成的短或中距離勘探類型；D. BAI閾值（0.53 N g soil -1 d-1）以上和以下形成菌索狀菌絲的ECM真菌群落序列相對豐度；E. CAZy 基因總數(shù)；F. 在BAI閾值一下豐富顯著增加的特定基因?qū)佟?/span>

圖4. 環(huán)境依賴性iCO2施肥響應(yīng)的分析框架和證據(jù)。A. 沿凈氮礦化梯度生長-氮效率指數(shù)(GNE)作為歷史大氣CO2濃度增加的應(yīng)變量(不同線及其相對斜率)的代表性分析框架；B. iCO2 (λ)對植物生長影響的概念圖, 變化點(diǎn)分析可以探測到沿土壤梯度生長 響應(yīng)的拐點(diǎn)；C. 由圖B的紅色和藍(lán)色部分得出的θ的差異，表明變化點(diǎn)前后不同斜率值。D.過去38年收集的54棵紅櫟樹的年代學(xué)數(shù)據(jù)。單個(gè)點(diǎn)代表估計(jì)的年GNE值，不同顏色代表林下土壤凈氮礦化比率的高低。E. 單個(gè)點(diǎn)代表單個(gè)樹對二氧化碳的響應(yīng)（平均模型斜率來自圖D）。F. 變化點(diǎn)（E）左邊和右邊的斜率平均值和95%置信區(qū)間。