真菌菌丝体对氮限制的响应机制及其在凋落物分解中的调控作用

本研究针对氮(N)限制条件下土壤有机质分解机制不清的难题，通过构建包含真菌菌丝动态的过程模型，首次揭示了菌丝液泡化调控碳氮循环的机制。研究发现真菌通过形成低N含量的液泡化细胞应对N限制，导致分解速率降低和N在坏死物质中的积累，为预测高纬度地区N限制生态系统的碳封存潜力提供了新视角。

　　

在陆地生态系统中，凋落物分解是连接植物与土壤的关键过程，而氮(N)的可利用性往往成为这一过程的限制因素。特别是在高纬度地区，低N有效性会显著抑制有机质分解，进而影响全球碳(C)循环。传统土壤有机质模型多聚焦碳动态，却忽视了微生物介导的元素互作机制。真菌作为凋落物分解的主导者，其菌丝网络具有独特的资源再分配能力，但关于其如何响应N限制、又如何反哺生态系统功能的机制仍存在重大知识空白。

瑞典农业科学大学（Swedish University of Agricultural Sciences）的研究团队在《Soil Biology and Biochemistry》发表的研究，创新性地将真菌菌丝动态划分为活性细胞、液泡化细胞和坏死物质三个功能池，构建了首个耦合菌丝形态可塑性与分解过程的数学模型。通过分析北欧地区凋落物分解实验数据，研究揭示了真菌通过调整菌丝细胞类型比例来适应N限制的生态策略，为理解N限制生态系统的碳封存潜力提供了理论框架。

研究采用数学建模与实验数据验证相结合的方法。模型参数通过贝叶斯校准从两种典型凋落物（松针和阔叶）的分解数据中获取，重点量化了菌丝生长速率、液泡化转换率和坏死物质分解率等关键参数。灵敏度分析确定了控制N动态的核心过程，并通过稳态分析推导出真菌生长的最低N阈值条件。

【必要生长条件】理论推导表明，初始凋落物N:C比必须高于由液泡化速率决定的临界值（0.017 gN/gC），这与北欧森林观测数据高度吻合。当N供应不足时，真菌无法维持活性菌丝的生物量。

【菌丝动态解释N限制】模型成功重现了不同N含量凋落物的质量损失曲线：在N限制条件下，真菌通过增加液泡化细胞比例（从20%升至60%）降低整体菌丝N需求，但导致分解速率下降40%。这种适应性变化同时促使N向分解缓慢的坏死物质池转移，其分解速率（0.0003 d^-1）接近木质素水平。

【生长速率悖论】反直觉的是，缓慢的菌丝生长（μ_max=0.03 d^-1）反而更利于低N资源的利用，而快速生长会加剧N竞争。这解释了为何寡营养环境中真菌往往表现出保守的生长策略。

该研究首次通过数学模型证实，菌丝形态可塑性（而非传统的碳利用效率CUE调节）是驱动N限制下分解动态的核心机制。液泡化过程使真菌能在细胞水平维持化学计量稳态的同时，实现菌丝体水平的C:N比可塑性。研究发现坏死物质的缓慢分解是长期N滞留的关键，这对准确预测高纬度地区土壤碳汇功能具有重要启示。理论框架可扩展到其他养分限制生态系统，为发展新一代包含微生物性状的生态模型提供了范式。