【原】综述 | SBB:生存和活跃：休眠的土壤微生物很重要

微生态 2021-04-13

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本文由木木鸟编译，董小橙、江舜尧编辑。

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导读

该综述研究了休眠土壤微生物与微生物过程和群落变化相关的假设。休眠土壤微生物受到C限制，并且不生长。然而，它们仍然具有最基本的代谢，这意味着需要有机碳摄取，导致生物量转换缓慢。休眠土壤微生物通过回收自身细胞成分和下调表达酶的基因来响应底物限制。微生物细胞对粘土和土壤有机质的吸附，由于在不饱和条件下有限的水可用性而增强，降低了微生物对维持能量的需求但导致无法移动。由于这个原因，土壤微生物不能快速移动到需要某些微生物能力的地方。因此，可以假设在靠近地表的时期，底土和更深的沉积物必须被微生物定殖，并且可以获得自养C的输入。在远离C输入的位置，如果有机基质到达，休眠微生物则会是生物多样性和潜在活动的重要储存库。整个微生物生物量C（MBC）的周转率是C使用效率（CUE）和维持系数的乘积。对于复杂的渗透性土壤微生物群落，CUE解释了在生长期间合成的所有生物量和代谢物。

论文ID

原名：Alive and kicking: Why dormant soil microorganisms matter

译名：生存和活跃：休眠的土壤微生物很重要

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：4.926

发表时间：2018年

通信作者：Rainer Georg Joergensen

通信作者单位：德国卡塞尔大学土壤生物学和植物营养系

综述内容

1. 前言

土壤微生物在土壤中执行大多数酶促过程并且保持微生物生物质（即活组织）中的能量和营养物，在长期休眠期和短期生长期间，在其代谢状态中转换。因此，“死生物量”是矛盾的，不应该使用。然而，微生物细胞最终死亡并形成坏死色素，其作为微生物残留物的一部分，是土壤有机碳（SOC）的主要贡献者（Khan，2016）。因此，有必要了解微生物量C库（MBC）的大小，以研究其周转率（Spohn，2016），从而可以评估土壤的碳固存潜力。此外，微生物碳利用效率（CUE）与此相关，定义了土壤微生物将底物转化为微生物产物的效率（Spohn，2016）。活性微生物和总微生物之间的区别在当前十年引起了越来越多的关注（Kuzyakov，2013），特别是与土壤微生物群落的分子遗传分析相结合（Romanowicz，2016）。活性微生物通常被定义为生长的生物，这会增加他们的数量和/或生物量。因此，休眠的微生物不会生长，但仍会产生CO₂并将有机氮矿化成NH₄，以满足其维护的分解代谢能量需求。最令人信服的假设仍然是土壤微生物的生存策略是基于休眠种群，消耗能量以维持代谢警觉性，以便立即使用任何进入土壤的基质（De Nobili，2001）。

基质的可用性通常在土壤中的持续时间有限，因此微生物群落必须能够从活跃状态转变为休眠代谢状态，以应对常见的环境变化（Smith，2008）。休眠的微生物群落可以将SOC矿化为CO₂，这被称为基础呼吸（Anderson，2010）。这意味着Blagodatskaya（2013）所观察到的基本上是休眠的微生物驱动生物地球化学过程。大多数休眠的微生物可以通过新鲜有机底物的到来再次活化。然而，这种活化是远离表面的土壤层中的，没有任何新鲜有机基质的输入（Gock，2017），并且不知道微生物如何定殖底土。

当前综述的基本假设是休眠土壤微生物与微生物过程和群落变化相关。该假设将基于以下四个具体假设进行研究：（1）土壤微生物长期存活，在休眠状态下没有基质供应，以便在环境条件改善时立即作出反应。（2）休眠微生物是固定的，但活性微生物的迁移率也有限，即当它们接近具有C输入的土壤表面时，它们只能定殖类似土壤的沉积物。（3）休眠微生物以节能的方式处理土壤溶液中的C组分和它们自身的生物量。（4）休眠微生物具有较高的碳利用效率，但其生物量具有较慢的周转率，这提供了生长和死亡过程所需的能量信息，这是微生物群落变化的先决条件。

2. 土壤中的微生物存活

今天，似乎更普遍地认为土壤具有相当大的空间异质性（Boeddinghaus，2015），土壤微生物的基质可用性的热点，如根际（Razaviet，2016），但是，这些热点对土壤的定量贡献在很大程度上是未知的。Joergensen（2000）估计，草地土壤中7％的松散土壤属于根际土壤，但MBC总量的15％存在于根际土壤中，另外10％的MBC直接定植于草根土壤。Mau等人（2015）表明，基质巧合地到达根际的某些土壤微生物物种，导致生长，但每次都会进入新的生物体，最终各种各样的生物开始生长，形成一个复杂的不可预测的微生物群落。由于孢子可以在琼脂平板上出芽，因此通过培养方法过度表现了孢子的形成。相反，真菌被忽略了，因为它们通常对菌落形成单位的贡献不到1％（Domsch，1983）。同样，真菌贡献的基因拷贝总数不到1％（Hussain，2011）。

正如Jenkinson（1988）所述，由于不同群体的分离不充分。大多数土壤微生物没有新鲜底物，在15-25℃和50％保水能力下培养长期存活240天（Lavahun，1996）。在4°C时，土壤可以储存大约一年或更长时间，而微生物生物量没有任何损失（Höper，2001）。干燥后，大部分微生物群落存活多年（Formowitz，2007），数十年（Wichern，2004）或几个世纪（De Nobili，2006），并在润湿后30分钟内复苏，如通过ATP含量和AEC水平的立即增加表明（Formowitz，2007）。因此，即使是大肠杆菌等复合营养性肠道细菌也能在土壤中存活长达9年（Moynihan，2015）。微生物群落的强烈变化是死亡和生长过程的结果。在没有新鲜底物的情况下，这些变化必然伴随着MBC的强烈下降和CO₂产量的增加。

3. 微生物的不可流动性

大多数土壤微生物是固定的（Ottow，2011），因为它们与它们的基质和土壤有机质（SOM）密切相关，主要由范德华力吸附。对于产生大量疏水化合物的土壤真菌尤其如此（Rillig，2010），有时称为疏水蛋白（Rillig，2005）。细菌细胞表面的某些部分是带负电的（Wu，2014），因此阳离子桥接土和SOM还支持吸附（Murphy，1996）。这个过程对土壤真菌来说也是如此（Mozes，1988）。细胞外聚合物的形成通常会加剧吸附（Cieśla，2016）。细菌的吸附过程原则上是可逆的，但对土壤微生物的解吸动力学的了解仍然有限。细菌的解吸可能有助于被动流体动力学分散（Tecon，2016），它可以平衡在土壤溶液中游动的悬浮生物的浓度。在水饱和含水层中已经描述了细菌的分散作为一种重要的运输过程（Tan，1994），但在大部分水不饱和条件下的土壤中无关（Unice，2000）。在非饱和水的土壤中，由水对土壤基质的亲和力引起的负基质势能增强了吸附（Tecon，2016）。由于细菌只能在水膜中移动，它们的运动会随着基质电位的降低而停止。根据Dechesne等人的研究，这意味着细菌在pF1.3（-20 hPa）的水张力以下是不动的。

许多革兰氏阴性细菌，例如粪便大肠杆菌，具有活性趋化性的鞭毛，这在能量丰富的肠道环境中有利于长达100μm的距离（Tecon，2016）。然而，鞭毛运动似乎在物种之间的竞争，趋化定向和在高含水量的短期内形成细胞外聚合物（EPS）具有优势。除了吸附，过滤过程，如排除，桥接和沉淀，减少细菌在土壤中的运动。排除取决于与孔隙有关的微生物的大小。大多数土壤细菌的直径在0.5到2微米之间，远小于真菌菌丝。然而，大多数细菌形成菌落，其在不连续的孔中桥接较大的孔径或沉积物。此外，应该考虑真菌和细菌是固体土壤材料的一部分。出于这个原因，它们可能被包裹在土壤团聚体中。吸附很大程度上取决于SOM和粘土含量，这通常也决定了土壤结构，即孔径和连续性。

在罕见的解吸情况之后，细菌可能通过对流运输，即在暴雨或淹水事件后自由排水大孔中的水质量运动> 3 mm，绕过吸附和过滤过程（Unc，2012）。解吸后细菌对流的可能性更大的是附着在大孔中的小有机颗粒或微聚集体上的细菌的运动（Etana，2009），其中含有最可能的细菌和其他微生物。在淤泥壤土中，蚯蚓通道显着促进了大孔的流动和细菌的运动。

与细菌相反，菌根真菌可以主动定殖土壤以开发营养物，因为它们的生长是由寄主植物提供的（Smith，2008）。一旦菌根真菌与宿主断开，它们就会变成休眠状态。当基质耗尽时，腐生真菌也会发生同样的情况。真菌菌丝（Nazir，2014）是可以在生长过程中在土壤中携带短距离的细菌。对细菌运输更重要的可能是较大的土壤动物等载体。任何类型的微生物运动显然与活动有关，而休眠与不动性密切相关。土壤主要来自陆地沉积物，这些沉积物是由裸露的表土的水和风侵蚀形成的（Gammack，1992）。这些沉积物总是被微生物定植（图1），即使表面没有植被，由于水资源有限或温度低。由于土壤微生物在很大程度上是固定的，土壤和沉积物必须在靠近表面的时期主要被微生物定殖，并且可以获得光合自养C输入。在沉积物中，微生物群落可以长时间存活而不需要输入新鲜的有机底物（Røy，2012）。沉积期间的气候和其他环境条件似乎影响地下微生物群落的组成及其相关活动（Kieft等，1998）。真菌对新鲜有机物质的缺乏比细菌更敏感，因此真菌与细菌的生物量比例随深度下降（Sradnick，2014）。在地下土壤中，微生物完全依赖于古代SOC的分解。底土是由火山沉积物形成的，只要它们不是通过堆积过程转移，它们可能较少被微生物定殖，因为它们不是沉积物。然而，关于这种类型底土的微生物生态学的知识是有限的（Rumpel，2012）。

图1: Gudum（粘土- 石灰，丹麦），Borsholm（沙子，丹麦），Winona（黄土，华盛顿州东部，美国）和Washtucna（黄土，华盛顿州东部，美国）的微生物生物量C含量下降沉积物剖面。

4. 适应饥饿：微生物处理有机成分

休眠微生物的代谢需要从土壤溶液中摄取有机物C。一种解释是固体和可溶相之间的平衡（Qualls，2000）一旦组分被土壤微生物吸收就会一直动员SOC。另一种解释是外源酶由于在粘土和SOM上的吸附而长时间保持显着的活性水平。外部内切酶也通过在细胞死亡和裂解后在粘土或SOM上的吸附来稳定（Burns，2013）。生物营养丛枝菌根真菌（AMF）是土壤中最重要的例子（Faust等，2017）。光养藻是另一个重要的例子，必须在黑暗中长期存活。

然而，在饥饿的构巢曲霉培养物中观察到外酶的产量增加（Szilágyi，2013）。一些饥饿的土壤微生物组成性地能够分泌低水平的外酶，以维持检测和快速响应底物可用性变化的能力。这种能力可能是土壤微生物强烈呼吸响应引发分子的原因。休眠土壤微生物可以回收它们自己的细胞膜（Wegeneret，2016），也可以回收细胞壁材料（Mayer，2006），

然而，矮小细菌和古细菌的最小尺寸受到基因组DNA和剩余蛋白质的物理空间要求的限制（Kempes，2016）。从死亡的微生物细胞中回收完整分子，即隐蔽生长，降低了对酶促再合成和有机组分重构的能量需求。

可利用的底物耗尽后，许多培养的细菌下调能量密集的细胞过程，从而降低维持能量需求。酿酒酵母培养物等真菌下调几种糖酵解酶基因作为转录组反应（Vos，2016）。这导致参与抗环境压力的基因表达增加以及休眠微生物的更长的时间寿命（Boender，2011）。然而，实际上没有关于诱导休眠的饥饿土壤微生物中表达酶的基因的类似代谢下调的信息。

5. 微生物生物量周转率（MBC）

MBC被定义为微生物细胞内微生物代谢物的合成代谢产生与给定时期内的总微生物生物量的关系。在平衡条件下，即土壤中的C输入等于每年的C输出，周转率R可以计算为微生物生物量增益或产量系数（Y）和C用于微生物维持或维护的产物系数（M）。R = Y × M。周转率随着系数的增加而增加。微生物周转率的降低增加了MBC，促进了休眠时的微生物存活。

5.1.CUE概念

微生物生物量增益或产量系数（Y）是计算MBC的第一个因素，现在通常被称为碳利用效率（CUE）。CUE越高，可获得的能量越多，减少了对土壤微生物变为休眠的需求。不同的CUE值在0.1和最大值0.8之间变化（Geyer，2016）。这种可变性的主要原因之一是微生物生长与代谢物合成之间的关系不明确。

CUE最初计算为实际微生物生物量中标记的底物C与明显使用的标记底物C的比率：CUE_MB= MB¹⁴C /（MB¹⁴C + CO2 ¹⁴C）

在存在可用底物的情况下，微生物生物质的周转速度非常快，以至于通过微生物合成代谢的大部分新合成产物立即作为非生物质代谢物和次级代谢物离开细胞。添加底物后MBC的快速转换也可导致一些细胞的直接死亡，从而导致坏死的形成。因此，微生物残留C（MRC），即来自在完全利用添加的有机基质期间产生的全部非生物质微生物材料（代谢物+坏死体，图2）的碳应被视为总微生物产物的CUE（CUE_TP）：CUE_TP= (MRC + MBC) / (substrate C)。

图2：内源性中枢代谢和土壤微生物外源代谢的概念概述

5.2.CUE测量

斯波恩等人（2016）提出了一种方法，该方法基于在细胞分裂时将水衍生的¹⁸O掺入基因组微生物DNA中（Blazewicz，2011）。然后，可以从基础呼吸和微生物生长速率计算SOM的平均微生物CUE_MB值0.28（表1）。

5.3.真菌和细菌生物量周转

细菌和真菌是土壤中两种主要的功能性微生物群体，特别确定了许多周转率（Strickland，2010）。为了获得整体的信息，主要是休眠土壤微生物种群，不可避免地需要知道真菌与细菌生物量的比例。

最初，DNA掺入中的³H-胸苷和随后的蛋白质掺入中的¹⁴C-亮氨酸已被用于确定细菌，而麦角甾醇掺入中的¹⁴C乙酸盐（Bååth，2011）已被用于真菌。Bååth计算出细菌的平均周转时间为8天，真菌的平均周转时间为140天。假设真菌与细菌生物量的比例为70/30，基于氨基糖分析或选择性抑制（Joergensen，2008），忽略不含麦角甾醇的AMF，可计算100天的平均周转时间（Olsson，2003）。假设真菌与细菌生物量的比例为25/75，基于直接显微镜和PLFA分析（van，2010），周转时间将减少至41天。这两个生物量周转估算要求土壤的C输入率为9.1和22.3 t C ha^-1a^-1（表2），这是不可能的。可能的解释是³H-胸苷和¹⁴C-亮氨酸掺入以及¹⁴-乙酸酯掺入仅测量细菌和真菌生物质的亚组分。这三种方法似乎具有Blagodatskaya（2013）测量土壤微生物群落活性部分所需的特征。

6. 结论

休眠使土壤微生物能够在长时间的饥饿期间存活，并且如果条件改善则允许立即响应，而不会导致死亡和生长过程的继续。土壤微生物被SOC和粘土强烈吸附，特别是在水不饱和条件下，因此它们不能快速移动到基质可用的位置以获得某种微生物能力。休眠的微生物，长时间耐心地等待基质，是有机基质达到的生物多样性和土壤潜在活动的重要储存库。这并不意味着我们可以在处于休眠状态的任何地方找到所有微生物，因为每个群落代表当这些微生物受到接近表面的C输入过程影响时存在的条件。整个微生物生物量的周转，和活性微生物生物量，是CUE和维持能量要求的产物。因此，复杂的渗透性土壤微生物群落的CUE应该考虑到在生长过程中合成的所有微生物代谢物，即特别是外酶和EPS。这种将代谢简单地分解为合成代谢和分解代谢的方法可以防止对复杂有机基质的外源代谢进行区分。但是，需要更多的实验努力来获得这些正确的CUE值。

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