近期，派森诺与北卡罗来纳州立大学、南京农业大学合作在《Science Advances》发表论文，研究了气候变暖和臭氧浓度升高对非耕作大豆根系性状、丛枝菌根真菌组成和土壤碳动态的影响，对未来气候变化下，植物与微生物如何响应气候变暖和臭氧浓度升高，以及如何调节土壤有机碳提供深入见解。
研究背景
自工业革命以来，全球地表温度不断上升。气候变暖的同时，臭氧浓度也随之增加。气候变暖通常会促进植物生长，促进微生物对土壤有机碳的分解；臭氧升高则会损害植物气孔功能并减少地下碳分配。因此，气候变暖和臭氧升高可能会加剧土壤有机碳的流失。同时，气候变暖和臭氧升高还会影响植物光合作用，并进一步影响光合产物在植物根部和特定的共生微生物成员间的分配。因此，气候变暖和臭氧升高是影响植物生长和植物—微生物组相互作用的重要气候变化因素，但气候变化对土壤碳动态影响的实验证据及其潜在机制，目前尚不清楚。
研究方法
测序平台：Illumina MiSeq高通量测序
测序对象：丛枝菌根真菌AMF
研究设计：正常对照（CF）、气温升高3℃处理（W）、臭氧浓度增加1.3倍处理（eO3）、气温升高3℃+臭氧浓度增加1.3倍处理（W+eO3）。
研究结果
升温和臭氧升高对植物生物量及根系形态的影响如图1所示。升温和臭氧升高不影响植物地上部分的生物量，但对根部生物量有显著影响，显著增加了比根长度，降低了根组织密度。由此表明，升温和臭氧升高使植物根系变的更长且密度更低，从而更容易获取地下资源。
图1 升温和臭氧升高对植物性状的影响
升温和臭氧升高对植物根部菌根定植的影响如图2所示。升温、臭氧升高及两者相互作用，都显著降低了AMF定植的根长比例（图2A），同时比根长与根部AMF定植率呈显著负相关，表明细根和AMF之间存在权衡关系（图2B）。
图2 升温和臭氧升高对菌根定植的影响
利用高通量测序探究植物根部AMF群落组成发现，在所有处理中，Glomus属和Paraglomus属相对丰度最高。同时，升温和臭氧升高减少了Glomus丰度，增加了Paraglomus丰度（图3A）。NMDS和PERMANOVA分析表明，温度和臭氧浓度显著影响AMF群落分类组成，各个处理之间明显分离（图3B）。
图3 升温和臭氧升高对AMF群落组成的影响
本研究发现，升温、臭氧升高及两者相互作用引起的根部和AMF变化，对生态系统功能具有潜在影响。在对照组中，升温、臭氧升高都对土壤碳含量无显著影响，而在AMF单独存在下，变暖、臭氧及两者相互作用均使土壤总碳含量显著减少。在植物根系和AMF都存在的情况下，变暖、臭氧及两者相互作用使土壤总碳含量减少更为明显。此外，菌根定植率也与总碳含量呈正相关。
图4-5. 植物根系和AMF对有机碳的分解以及AMF定植和总碳含量的关系
研究还更进一步探究了AMF两个关键属与土壤总碳含量的关系，如图6所示。Glomus属的相对丰度与剩余总碳含量呈正相关，而Paraglomus属与剩余总碳含量呈负相关。表明Glomus属有利于碳固定，而Paraglomus属则促进碳分解。
图6. AMF组成与总碳含量的关系
讨论与总结
本研究通过升温和臭氧浓度处理，并结合Illumina高通量测序和同位素追踪技术，揭示了气候变暖和臭氧浓度升高对非耕作大豆根系性状、丛枝菌根真菌组成和土壤碳动态的影响，为植物—微生物组对变暖和臭氧升高的交互响应、以及这些响应如何在未来气候变化情景下调节土壤有机碳动态提供了深刻见解。