农田土壤自养微生物CO2同化功能及其同化碳转化机理研究

Soil autotrophic microbe has been found numerous and widespread. However, the microbial process and mechanisms of microbial autotrophic growth in the soil carbon sequestration and its stability remains poorly understood. Therefore, we'll use typical cropping soils incubated in microcosms, continuously labeled 13C-CO2,atmosphere to measure the potential assimilation rate of labeled C incorporated into soil organic matter (13C labeled soil organic carbon) and the acitive carbon pooles (13C labeled microbial biomass and dissolve orangic carbon). Molecular biological methods and environmental genome techniques (fingerprinting techniques of DNA (cDNA), polyerase chain reacrion (PCR) clone and sequencing, terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP), real-time qPCR, 13C-DNA-stable isotope probing (SIP), etc) and enzyme analysis methods will be taken to investigate the diversity, abundance and composition of soil CO2-assimilating microbe and subsequently to reveal the microbial CO2 assimilation mechanisms. The turnover (mineralization and transformation) of soil microbial assimilated carbon ('new carbon') and the contribution to soil microbial biomass carbon will also be studied by laboratory incubation systems. This project will reveal the mechanisms of CO2 assimilation and its transformation and stability in cropping soils, and also offer the theoretical basis of farming ecosystem carbon cycle and climate change adaptation and mitigation.

自养微生物在土壤中广泛存在，但对其CO2同化强度及其同化碳的稳定性机理还尚不清楚。申请项目拟采用野外原位、模拟培养等手段，应用碳同位素（13C连续标记）示踪技术研究典型农田土壤自养微生物CO2同化速率及其固碳潜力；综合应用13C-DNA（稳定同位素示踪土壤微生物DNA）超速分离分析技术、基于PCR的DNA（cDNA）指纹图谱、环境基因组学、实时荧光定量PCR等分子生物学技术以及酶学分析技术，系统研究典型农田土壤中参与CO2同化作用的功能微生物群落结构、多样性、数量、固碳酶RubisCO活性及其与农田土壤环境要素和管理措施的内在联系，揭示典型农田土壤自养微生物同化CO2的分子机理，探讨自养微生物同化碳在土壤中的矿化与转化动态及其对土壤微生物碳周转的贡献。通过上述系统深入研究，揭示农田土壤自养微生物CO2同化潜力及其同化碳转化机理，为深入了解农田生态系统碳循环过程和应对气候变化提供理论依据。

自养微生物在土壤中广泛存在，但对其CO2同化强度及其同化碳的稳定性机理还尚不清楚。因此，本项目利用碳同位素（14C连续标记）示踪和土壤微生物分子生物学技术，开展农田土壤自养微生物CO2同化功能及其同化碳转化机理研究，主要获得如下结果： .1）发现农田土壤微生物的大气CO2同化功能，并确定对固碳效应起重要作用. 经多次14C标记CO2空气中水稻土旱作土壤的曝光和遮光同步对比实验确认之后，正式开展80 d模拟实验表明曝光土壤的14C标记有机碳含量达到8.4~64.6 mg kg-1，CO2-C日同化速率为0.01~0.1 g C m-2，并14C在微生物和非微生物碳组分中有分布，且水稻土远高于旱作土壤，但遮光土壤均未检测到14C标记有机碳。数据计算表明水稻土的微生物年碳同化量达100~450 kg C ha-1，占土壤有机碳含量的比例达0.9~4.1%，即对土壤有机碳年输入量相当于土壤有机碳总量的0.9~4.1%，与一般生态系统中植物对土壤的年输入量几乎相当。这项研究确认土壤中光合微生物具备同化大气CO2能力，为反映我国亚热带水稻土的稳定、长期固碳效应提供了新的重要科学证据，深化了水稻土固碳的生物地球化学过程内在机理，以及土壤微生物在全球碳循环中起重要碳输入作用的认识。.2）明确土壤光合微生物主要种群及其光合固碳的分子机理. 综合运用克隆文库、T-RFLP及定量PCR等分子生物学方法，发现水稻土固碳细菌、蓝细菌和藻类的CO2光合同化功能基因cbbL拷贝数分别为0.04~1.3×108、0.2~1.9×106和0.02~1.8×106 copies g-1；水稻土中光合细菌发挥同化CO2的主要作用，主要优势种群为兼性自养菌；水稻土微生物光合同化碳与细菌cbbL基因拷贝数和RubisCO酶活性均呈显著的正相关，RubisCO活性测定可作为土壤微生物碳同化速率的估算指标。. 通过本项目的研究，揭示了农田土壤自养微生物CO2同化潜力及其同化碳转化机理，为深入了解农田生态系统碳循环过程和应对气候变化提供理论依据。