宏基因组发现微生物特征决定了土壤碳排放，以响应整个生物群落森林中的新鲜碳输入

采样地点：表层土壤样品采集自10块森林，覆盖3425公里森林，覆盖中国冷温带、暖温带、亚热带和热带地区

1. 土壤宏基因组的高分辨率变化和森林生物群落的启动效应

与对照相比，提供的葡萄糖诱导了土壤呼吸的增加，在森林生物群落中发生了积极的启动效应。总体而言，启动效应在亚热带森林土壤中较高，在冷温带森林土壤中较低，启动效应梯度很宽，范围从0.39到8.76 mg Cg^-1 SOC。

此外，从30个调查的土壤宏基因组中获得了大约2541440888个读取序列，并且在每个样本中鉴定了72304392到103656100个序列。总体而言，细菌、真菌和古细菌的相对丰度随着森林生物群落的变化而显著变化（p < 0.01），其中细菌占更大的百分比（平均 > 96%）。

对于细菌群落，变形菌门 (34.16%)、酸杆菌门 (23.07%)、放线菌门 (14.26%)、疣微菌门 (5.72%)、浮生菌门 (3.20%) 和拟杆菌门 (1.85%) 的相对丰度也显著变化。森林生物群落（p <0 .01）比其他微生物门具有更大的相对丰度，变形菌和拟杆菌在冷温带森林土壤中的含量显著增加，而在热带和亚热带土壤中的含量较低（p < 0.01），而酸杆菌的丰度在北方森林中显著降低。NMDS进一步说明了不同森林生物群落中微生物分类组成的显著差异（ANOSIM，R² =0 .86，p <0 .001）。定量PCR分析还表明，真菌和细菌的丰度在森林生物群落中发生了很大变化。特别是，丰度F:B比率在温带较高，但在热带森林生物群系较低。

对涉及C分解的基因变化的宏基因组进行筛选，包括与单糖、多糖、二糖、半纤维素、氨基糖、纤维素、几丁质、脂质和木质素加工系统相关的基因，结果表明：与不稳定和稳定C组分降解相关的功能基因的丰度因森林生物群落而异。在来自冷温带森林生物群落的土壤中观察到参与稳定C化合物（木质素、脂质和几丁质）分解的三个基因的丰度显著更高，在低/中纬度地区（亚热带森林土壤）的土壤中，参与不稳定C（单糖和氨基糖）分解的基因丰度显著增加。

2. 启动效应变化的直接和间接驱动因素

PLS-PM分析用于建立启动效应和潜在预测因子之间的关系（图1），发现气候和初始土壤基质（即 SOC、TN、C:N、不稳定C、顽固C、烷基-C (A)、O-烷基-C (O)、A/O、芳香族C、羧基C 、羰基C、NH₄⁺ 和NO₃⁻) 是引发效应的主要驱动因素，并通过改变微生物特性来调节这种效应。微生物功能基因通过它们对微生物分类的直接影响和改变微生物C-EEA（Hy-EEAs和Oy-EEAs）来确定启动效应。环境变量分析表明，即使在控制气候、土壤环境（包括土壤性质和土壤基质）和微生物分类的情况下，微生物功能性状也能解释森林生物群落中土壤引发的大部分变异，土壤微生物性状解释的独特变异是气候的三倍，是微生物分类学的两倍（图 2）。

图1 环境活力对累积启动效应 (PE) 的影响 (a) PLS-PM有向图 (b) VPA分析显示气候、土壤环境、微生物群落和C分解基因对累积启动效应的相对贡献

此外，回归分析表明，参与这两种单糖降解的功能基因（R =0 .2989， p = 0.0011) 和氨基糖 (R= 0.2270，p = 0.0046) 与启动效应呈正相关，而靶向木质素分解的基因 (R = 0.40225， p <0 .001) 和脂质 (R = 0.3613， p <0 .001) 与启动效应呈负相关（图2）。特别是，启动效应与参与不稳定C分解的功能基因的丰度呈正相关，如 bglX（淀粉和蔗糖代谢）、SORD（果糖和甘露糖代谢）和 lacI（L-鼠李糖代谢）。相比之下，启动效应与参与更稳定C分解的基因丰度呈负相关，例如 ACO（芳香族化合物降解）和 ligB（脂质）基因（图3）。

图2 累积启动效应与 （a-c）不稳定C降解功能基因丰度 （d-i）稳定C降解功能基因丰度之间的关系

图3 预测基因在整个森林生物群系中的启动效应 (a) 所选关键基因的变化（由与启动效应的显著相关性表示：p <0 .05），(b-d) 所选基因在森林生物群落中不稳定C分解的分布 (e) 用于在森林生物群系中稳定C分解的选定基因的分布

3. 基于宏基因组组装的方法确定启动效应

在质量评估之后，我们发现42个MAG 超过了完整性阈值，即完整性超过 70%，污染低于 10%（图 4），在42个MAGs中，大量基因组包含上述与启动效应相关的关键基因，如ACO、bglX、ligB和glk。

对于分类学，42个MAG在门水平上代表了变形菌门（七个）、酸杆菌门（六个）、放线菌门（一个）和疣微菌门（一个）中的多种细菌门。在变形菌门中，Alphaproteobacteria纲（四个）和Rhizobiales目（两个）是最丰富的。在酸杆菌中，Solibacteres纲（四个）和 Candidatus Solibacter usitatus 种（四个）代表更多。此外，基于系统发育关系，来自16S rRNA 系统型的五个未分类bin与相似的分类bin聚类。

图4 分析42个高质量的宏基因组组装基因组  左图 使用PhyloPhlAn构建的最大似然系统发育树 中图 确定的引发效应的关键基因的数量 右图 每个森林生物群落中42个基因组的相对丰度的变化