有机底物质量调控温带草原土壤菌丝际微生物群落组装及氮素向植物的转运机制

本研究针对自然条件下菌丝际微生物群落组装与功能机制不清的科学问题，创新性设计"hyphoboxes"装置，通过13C–15N双标记实验揭示精氨酸与根凋落物差异驱动菌丝际微生物群落构建，阐明底物质量通过调控腐生真菌-AM真菌互作影响氮素转运效率的生态机制，为草地生态系统养分循环提供新见解。

　　

在复杂的土壤微环境中，菌丝际作为根系延伸区外的关键界面，蕴藏着微生物互作的奥秘。尽管丛枝菌根真菌（AMF）介导的磷转运机制已被广泛认知，但其在有机氮获取中的作用仍存在争议。更棘手的是，现有研究多局限于实验室单一菌种体系，难以反映自然条件下AMF与腐生真菌、细菌的多元互作网络。这种认知缺口严重制约着我们对草地生态系统养分循环的全面理解。

德国霍恩海姆大学的研究团队创新性地设计了一套名为"hyphoboxes"的田间实验装置，通过500 μm、50 μm和5-10 μm三级滤网分隔出根际、菌丝际和底物区室，分别添加¹³C–¹⁵N标记的精氨酸（易利用态）和根凋落物（复杂底物），在温带草原开展为期20周的野外实验。研究整合PLFA稳定同位素示踪、高通量测序和酶活性分析等技术，首次在自然条件下解析了有机底物质量如何通过调控菌丝际微生物群落组装来影响氮素转运效率。

微生物群落组装的分异轨迹
精氨酸处理组以革兰氏阴性菌为主导，其PLFA中精氨酸源碳占比仅0.1-0.6%；而根凋落物处理显著富集了腐生真菌（PLFA 18:2ω6,9中根凋落物源碳占比高达48%）和放线菌，真菌/细菌比值较对照组提升30%。ITS测序显示，根凋落物区室中Pleosporales、Helotiales等木质素降解菌相对丰度增加，且真菌多样性呈上升趋势（Shannon指数p=0.08）。

氮素转运的效率差异
精氨酸处理组根系¹⁵N富集度在8周时已达83‰，20周时升至211‰，显著高于根凋落物组的37‰（p<0.001）。δ¹⁵N空间分布显示，精氨酸处理中氮素从底物区室（265‰）向菌丝际（39‰）和根际（11‰）的梯度递减更为陡峭，表明其转运效率更高。值得注意的是，虽然NLFA 16:1ω5示踪显示AMF生物量在各区室无显著差异，但精氨酸处理中AMF可能通过氨基酸透膜酶直接吸收完整精氨酸分子。

功能群落的互作网络
根凋落物处理中，腐生真菌通过"真菌高速公路"转运分解产物，其PLFA中¹³C在20周时已扩散至根际区室。酶活性矢量分析显示，菌丝际微生物在碳获取（BG+XYL）与养分获取（NAG+AP）间保持动态平衡，且根凋落物处理后期真菌寄生菌相对丰度增加18%，暗示微生物级联效应可能促进氮素释放。

该研究突破性地揭示了有机底物质量通过三重机制影响氮素转运：① 易利用底物（精氨酸）优先激活AMF直接转运途径；② 复杂底物（根凋落物）依赖腐生真菌主导的分解网络；③ 两类真菌的竞争关系调控氮素分配效率。这些发现不仅完善了菌丝际理论框架，还为可持续农业中有机肥效预测提供了微生物学依据。特别值得注意的是，研究提出的"hyphoboxes"装置为原位研究土壤微域过程树立了新范式，其揭示的真菌-真菌互作维度将推动菌根生态学研究进入新阶段。