近日，土壤生态学团队在Journal of Ecology上发表题为“Reconciling plant and microbial ecological strategies to elucidate cover crop effects on soil carbon and nitrogen cycling”的研究论文，报道了覆盖作物生态策略与微生物生态策略协同调控土壤碳氮动态的生态机制。
覆盖作物（我国常称绿肥）种类繁多，生长表现各异，在生态农业、再生农业及保护性农业管理措施中具有培育土壤健康的巨大潜力。基于生态进化知识，植物物种在性状谱上的位置与其对环境的响应和效应（即功能）密切相关（Lavorel et al., 2007），因此，引入性状和生态策略的概念不仅可以归纳复杂多样的覆盖作物功能群，还可以为将植物-土壤生物群落的相互作用整合到生物地球化学模型中提供途径（Fry et al., 2018）。植物经济空间是将经济学理论纳入生态学来解释植物资源的收支现象，旨在理解不同物种在资源投资与收益之间的权衡（Reich, 2014; Bergmann et al., 2020; Weigelt et al., 2021）。植物的资源获取和资源保守管理策略显著影响资源流动，如从光合作用同化和根系养分吸收到根际淀积物的释放。基于性状权衡和协同的生态策略理论框架已在阐明土壤有机质和根际激发效应的关系、养分循环速率和植物-土壤反馈等土壤生态过程机制中发挥重要作用。然而，当前基于性状和生态策略的研究主要以植物为中心，土壤微生物作为土壤多个过程的关键驱动因素，与植物性状密切相关的微生物性状重要性在以往研究中尚未受到足够的重视。此外，考虑到微生物群落结构的变化不一定伴随生态功能的变化（Louca et al., 2016），基因水平的过程（如快速适应性进化及水平基因转移）可以导致微生物群落的功能与其系统发育之间的解耦（Koskella et al., 2017），亟需结合微生物功能性状以理解植物-微生物的互作关系。
本研究聚焦植物生态策略中两个关键梯度：反映植物投资权衡的“快-慢”保守梯度，以及植物与菌根合作的“协作梯度”。主要结果表明，根际土壤微生物群落性状的权衡与覆盖作物生态策略的“保守梯度”关联更为密切（图1）。“快”的获取型覆盖作物倾向于富集具备开发性策略的微生物，如细菌趋化性、分泌系统及细胞运动性等，导致高的土壤胞外酶活性，增强土壤净氮矿化速率，进而提高土壤氮有效性，并作用于后续主作物产量（图2）。相比之下，“慢”的保守型覆盖作物促使微生物群落策略表现为碳固定、三羧酸循环（TCA）、核糖体及支链氨基酸生物合成等代谢性状的增强，提高土壤微生物碳代谢效率，表现为呼吸代谢熵（qCO2）降低和微生物生物量碳的增加，从而促进有机碳积累（图2）。本研究突显了利用基于性状和生态策略的框架预测植物-微生物共同驱动生态功能的潜力，并为资源高效型或环境抗逆型农业系统中覆盖作物的物种选择提供启示。
图1 微生物功能性状与植物经济策略“保守梯度”之间的关联
图2 微生物生态策略权衡对土壤碳氮循环相关功能的影响
土壤生态实验室博士生程赛赛为第一作者，刘满强教授为通讯作者。团队胡锋教授、博士生薛文凤和已出站博士后龚鑫，及兰州大学草地微生物研究中心杨云锋教授共同参与或指导了该项工作。该研究得到国家重点研发计划（2021YFD1700202）和国家自然科学基金（42077047）项目的共同资助。
参考文献
Bergmann, J., Weigelt, A., van der Plas, F., et al., 2020. The fungal collaboration gradient dominates the root economics space in plants. Sci Adv, 6: eaba3756.
Fry, E.L., De Long, J.R., Álvarez Garrido, L., et al., 2018. Using plant, microbe, and soil fauna traits to improve the predictive power of biogeochemical models. Methods Ecol Evol, 10: 146-157.
Koskella, B., Hall, L. J., & Metcalf, C. J. E. 2017. The microbiome beyond the horizon of ecological and evolutionary theory. Nature Ecol Evol, 1: 1606-1615.
Lavorel, S., Díaz, S., & Cornelissen, J. 2007. Plant functional types: Are we getting any closer to the holy grail? In J. G. Canadell, D. Pataki, & L. Pitelka (Eds.), Terrestrial ecosystems in a changing world (Issue i). Spinger-Ve.
Louca, S., Jacques, S. M. S., Pires, A. P. F., et al., 2016. High taxonomic variability despite stable functional structure across microbial communities. Nature Ecol Evol, 1: 15.
Reich, P.B., 2014. The world-wide ‘fast-slow’ plant economics spectrum: a traits manifesto. J Ecol, 102: 275-301.
Weigelt, A., Mommer, L., Andraczek, K., et al., 2021. An integrated framework of plant form and function: the belowground perspective. New Phytol, 232: 42-59.
论文链接：https://doi.org/10.1111/1365-2745.14431
编辑：程赛赛，朱梦一
校正：张崇哲，吴 迪
审核：刘满强
