利用快速分馏与宏基因组学技术解析小麦根际真菌接种剂对稳定土壤碳库的调控机制

本研究通过快速土壤碳分馏和宏基因组学技术，筛选了17种内生真菌接种剂对小麦根际土壤碳库的影响。发现两种真菌可使根际土壤碳含量提升15%，其中中稳定性的团聚体有机质(AggOM)和长期稳定的矿物结合有机质(MAOM)分别增加21%和10%。研究揭示了微生物功能基因与碳稳定性的关联，为农业碳汇管理提供了新工具。

　　

在全球气候变化背景下，土壤作为最大的陆地碳库，其固碳潜力备受关注。农业土壤中的有机碳(SOC)动态与微生物活动密切相关，但微生物如何调控不同稳定性碳库的形成机制尚不明确。尤其令人困惑的是，植物根际的内生真菌（endophytic fungi）虽普遍存在，却较少被纳入碳循环研究体系。传统SOC分馏方法耗时费力，且缺乏与微生物功能的直接关联，这严重制约了土壤碳模型的精准预测。

针对这些挑战，来自澳大利亚的研究团队在《Agriculture, Ecosystems》发表了一项创新性研究。他们开发了高通量土壤碳分馏技术，结合便携式纳米孔测序仪，系统评估了17种内生真菌接种剂对小麦根际SOC的影响。研究发现，特定真菌能通过改变微生物群落功能，显著提升稳定碳库含量，为农业碳汇管理提供了可操作的新策略。

研究采用三项核心技术：1）改良的快速三库分馏法（POM/AggOM/MAOM），使用分子筛和NaI密度分离提升通量；2）牛津纳米孔Flongle测序平台进行宏基因组分析，成本降至每样本10美元；3）磷脂脂肪酸(PLFA)标记法量化微生物生物量。实验在红壤（Luvisol）盆栽体系中进行，接种真菌来自澳大利亚本土植物，通过四个月的小麦生长周期评估效果。

关键结果呈现

3.1 真菌接种剂的筛选
在17种测试菌株中，112和1852号真菌使根际SOC含量分别增加15%和17%（p<0.05）。这种提升并非源于植物生物量变化，表明碳积累可能来自微生物介导的根系分泌物转化路径。

3.2 碳库特异性响应
分馏数据显示：112号菌显著提升AggOM-C 21%（p=0.016）和MAOM-C 10%（p=0.021）；1852号菌则使MAOM-C增加8%（p=0.005）。化学抗性测试发现1852处理的AggOM中顽固碳提升35%，暗示真菌可能促进稳定化合物的形成。

3.3 微生物群落动态
宏基因组分析揭示，112号菌处理中子囊菌门（Ascomycota）相对丰度增加0.5%（p=0.005），且Shannon多样性指数提升13%。PLFA分析显示该处理总微生物生物量增长25%，其中革兰氏阳性菌、阴性菌和真菌均显著增加。

3.4 功能基因关联
KEGG注释发现，甘油-3-磷酸脱氢酶基因在两种处理中均显著变化（p<0.05），该酶参与碳磷代谢，可能影响碳稳定性。MAOM含量与微生物功能基因组成显著相关（Mantel检验p=0.034），而POM则与变形菌门（Proteobacteria）丰度正相关（r=0.62）。

讨论与展望
该研究首次将快速碳分馏与便携式测序技术结合，证明特定内生真菌可通过"微生物泵"效应促进稳定碳库形成。值得注意的是，碳积累主要发生在矿物保护相（MAOM）而非易分解的颗粒碳（POM），这对长期碳封存具有重要意义。研究中发现的N-POM与微生物生物量的相关性，可能成为田间监测的早期指标。

技术层面，改良的NaI密度分离法将样品处理速度提升至每日50份，而纳米孔测序使宏基因组分析成本降低一个数量级。这种高通量组合为大规模田间验证奠定了基础，也将助力MEMs等碳模型整合微生物功能参数。未来研究需明确真菌诱导的碳增益是否具有土壤类型依赖性，以及如何通过基因工程优化菌株功能。

这项研究为"设计微生物组"促进农业碳中和提供了概念验证，其技术框架也可拓展至其他生态系统的碳循环研究。随着土壤碳交易市场发展，此类微生物管理策略或将成为气候智能型农业的核心技术之一。