[科研前線丨EGM-5]人為變暖條件下北極土壤細菌群落的最適生長溫度升高
溫度和土壤微生物過程（如生長和呼吸）速率之間的功能關系，在不同地理區域之間存在顯著差異。溫度響應和原位溫度之間的這種相關性被稱為溫度適應。未來北極的氣候變暖可能會增加土壤碳儲量對微生物分解的脆弱性。然而，目前還不確定在氣候變暖的北極地區，分解速率會發生多大程度的變化，因為長期的土壤變暖可能會導致細菌群落的溫度適應。
為了探究當北極土壤暴露在實驗性氣候變暖環境中時，土壤細菌群落是否會發生溫度適應，荷蘭阿姆斯特丹生命與環境研究所James T. Weedon團隊對來自從亞北極到高北極的4個不同研究地點的8種土壤進行了孵化實驗，探究孵化溫度對北極土壤細菌群落的溫度-生長關系和群落組成的影響。研究結果“Optimal growth temperature of Arctic soil bacterial communities increases under experimental warming”發表在Global Change Biology（IF=13.211）雜志上。
表1 初始土壤的土壤特征
作者使用美國PP Systems公司生產的便攜式土壤碳通量測定系統EGM-5測定了樣品的土壤呼吸速率。研究發現，土壤呼吸速率隨著孵化溫度的升高而增加，且在8種土壤類型之間存在差異，在10°C下變化范圍為0.25~2μg?1g?1day。在0℃和30℃培養的土壤中，100天后產生的二氧化碳累積量的變化系數為14-69，這取決于土壤類型（圖1）。在C15中，不同土壤類型的最小和最大累積呼吸之間的差異減少到1.44~2.99倍。孵化溫度與C15內產生的CO2累積量之間存在微弱的相關性（圖1），但當排除0°C下的土壤時，這種相關性不再顯著。
圖1在0-30°C之間培養的8個北極和亞北極地點土壤樣本中測量的平均累積呼吸(μg CO2g?1soil)。T100：100天孵化后的累積呼吸；C15：在選定的時間點確定的累積呼吸，使呼吸量大致等于在30°C下孵化的樣品15天后的累積呼吸量
細菌群落的溫度-生長關系受到孵化溫度的影響。Topt（最佳生長溫度）隨著孵化溫度的升高呈線性增加趨勢（圖2）。與C15樣品相比，T100樣品的Topt增長明顯更快，孵化溫度每升高1°C分別增加0.27°C±0.039（SE）和0.07±0.028°C。在T100中，生長溫度范圍（Tmax?Tmin）每°C的孵化溫度增加了0.14°C，但在C15中，生長溫度范圍在整個孵化梯度上沒有顯著差異。然而，從0到30°C，T100溫度下的微生物生長率顯著下降了36.2%?？傮w而言，溫度和采樣力矩都會影響Topt和Tmax，而Tmin沒有顯著變化，導致了更廣泛的溫度生長范圍（表2）。
圖2 溫度-生長函數估計參數（上面板：理論最低生長溫度Tmin；下面板：理論最佳生長溫度Topt)與土壤孵化溫度之間的關系。表2溫度-生長關系參數的回歸結果
同時，本研究還發現孵化溫度影響了T100和C15兩個采樣時刻的細菌群落組成，8種土壤類型中有6種表現出土壤細菌群落組成隨孵化溫度的顯著變化（圖3a）。
圖3 細菌群落沿培養溫度梯度的動態變化
雖然總體細菌群落組成沿孵化梯度發生了顯著變化，但在門或科水平上，土壤中的豐度沒有顯示出明確的分類模式，缺乏常見的溫度響應物種（圖4）。
圖4 細菌擴增子序列變體（ASVs）的差異豐度分析，以每攝氏度孵化溫度的對數倍差顯示（點的顏色）。
北極土壤細菌群落在人為變暖條件下的溫度適應表明，微生物對全球變暖的反應可能會影響北極陸地地區的碳循環。然而，將溫度適應與特定物種聯系起來仍然是一個挑戰，這些物種可以作為生物指標來理解和預測土壤群落溫度適應的功能影響。此外，我們建議將溫度-生長關系的變化納入地球系統模型，以評估其對土壤碳循環的潛在影響程度。
