近日，复旦大学生科院聂明团队在全球变化生态学研究领域取得重要进展。相关成果以《土壤微生物产甲烷的热响应强度随温度的变化而减小》（The thermal response of soil microbial methanogenesis decreases in magnitude with changing temperature）为题发表于《Nature Communications》（自然通讯）。
厌氧土壤微生物的甲烷（CH4）生产是全球CH4排放的重要来源。理解产CH4微生物对环境温度的响应对于预测土壤温室气体排放-气候反馈至关重要。大量的研究表明，好氧土壤微生物能够适应环境温度变化，削弱长期增温对土壤呼吸的刺激作用。厌氧土壤中的产甲烷微生物是否也具有类似的热适应能力，目前仍知之甚少。
图 1 微生物热适应的理论假设（a）及研究的实验设计（b）
土壤碳分解的热适应性实质上是土壤微生物功能在群落尺度上对环境温度变化的适应性，即气候变暖后土壤微生物主动降低生理活性以提高其在高温环境中的适宜度，从而减缓表观土壤碳分解速率。作为一种生理补偿响应，微生物的热适应性必须可逆，即在持续增温后代谢活性降低，而在持续降温后代谢活性上升（图 1a）。为此，该研究选取两类典型的湿地土壤为研究材料，通过室内长期增温和降温培养，探索温度变化对土壤微生物产CH4过程的影响（图1 b），并分析其与产CH4微生物群落动态的关系。结果发现，产CH4微生物的代谢活性在长期增温后降低而在长期降温后增强（图2），这种补偿性热响应表明土壤微生物的产甲烷过程能够适应环境温度变化。
在增温与降温处理下，产甲烷微生物的群落结构发生显著改变（图3a）。但在两类湿地土壤中，占优势的产甲烷古菌对温度变化的响应并不一致（图3b）。这表明具体某类产甲烷菌相对丰度的改变并不能解释产甲烷微生物群落的热适应性。为了进一步理解群落物种组成变化（species turnover）是否影响产甲烷微生物的热适应性，通过线性混合效应模型分析了增温和降温处理下产甲烷微生物热适应能力与其群落β多样性的关系。结果发现，产甲烷菌群落组成的变化程度与其热适应能力呈显著正相关（图 4）。这些发现表明，在环境温度变化过程中，产甲烷微生物能够通过改变群落组成，削弱温度变化对其CH4呼吸的影响。
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图 3 产甲烷微生物群落的变化
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图 4 产甲烷微生物的热适应能力与其群落结构变化的关系
该研究基于温度对生物代谢的基本影响，首次从生物的热适应性视角，探讨了厌氧土壤产甲烷微生物对环境温度的响应。实验结果证实微生物产甲烷过程存在热适应性。结合先前报道的好氧土壤微生物的热适应性，该发现意味着在好氧和厌氧土壤中微生物代谢对环境温度的生理补偿响应普遍存在。此外，该研究还强调群落的动态变化在产甲烷微生物的热适应中发挥重要作用。更为重要的是，产甲烷微生物热适应性的发现意味着未来气候变暖对湿地土壤CH4排放的刺激作用可能低于当前的预测强度，这将对预测未来大气CH4浓度的变化产生深刻影响。
该文第一作者为陈鸿洋博士后。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19549-4