Nature Plants | 研究揭示不同物种和生长温度下共生固氮作用的温度敏感性！

准确预测陆地生物圈模型（TBM）中未来的CO₂吸收依赖于了解碳、气候和养分限制之间的反馈。这些反馈的核心是光合作用和生物固氮，这是新固定的碳和氮分别进入生物圈的主要途径。因为它们是酶促过程，所以光合作用和固氮都取决于温度。数十年的工作详细说明了温度如何影响光合作用。因此，所有TBM都将光合作用表示为受温度影响的机械过程，并且许多TBM允许光合作用适应最近的温度。相比之下，我们关于温度如何影响固氮作用的知识是有限的：它仅基于少数实证研究，其中大部分关注非共生固氮菌（自由生活的细菌）而不是植物-细菌共生。关于共生固氮的温度响应的少数研究使用了在离散温度下的破坏性测量或在一系列恒定生长温度下的综合测量。由于根瘤和植物之间的隐性变化，前一种方法缺乏精确度，而后者同样不精确，并且将适应与瞬时温度响应混淆。目前在TBM中使用的温度响应函数，其最适温度为 25.2°C，导致 TBM 预测变暖将降低热带地区的固氮量，因为许多热带地区已经>25.2°C。由于固氮对许多生态系统过程至关重要，例如碳储存和N₂O排放，固氮对变暖的反应可能会对全球生物地球化学和气候产生广泛影响。

2022年3月7日，国际权威学术期刊Nature Plants发表了美国哥伦比亚大学Duncan N. L. Menge团队的最新相关研究成果，题为Temperature sensitivity of woody nitrogen fixation across species and growing temperatures的研究论文，并同期发表了美国康奈尔大学的点评文章，题为Climate tipping point of nitrogen fixation。

陆地碳汇的未来取决于氮的可用性，特别是共生固氮，这可以迅速缓解N限制。已假设共生固氮的温度响应可以解释固氮树的全球分布，并且是一些TBM的关键部分，但很少有数据可以限制温度共生固氮反应。本研究表明四种树木共生体中N固定的最佳温度在 29.0–36.9 °C范围内，远高于TBM目前使用的 25.2°C 最佳温度。温度响应的形状也明显不同于TBM使用的函数（不对称）。研究结果还表明，N固定适应生长温度（它的最佳温度范围），特别是在其中两个热带共生体中。令人惊讶的是，固氮的最佳温度比光合作用高5.2°C，这表明植物碳和氮的增加与温度无关。这些发现可能有助于解释为什么在年最高温度>35 °C的地方固氮树丰度最高，以及为什么固氮共生体在地球历史的温暖时期进化。在其他条件相同的情况下，研究结果表明，即使在热带生态系统中，气候变暖也可能会增加固氮，这与过去的预测形成鲜明对比。

图 ：在一系列生长温度下生长的四个树种的固氮温度响应

图 ：木本固氮的最佳温度比先前估计的高3.9–11.7°C，比净光合作用高1.8–7.3°C

图 ：低温和高温下的最佳温度和速率显示固氮和光合作用的热驯化

图 ：长时间暴露在高温下会导致N固定以可预测的速度减少

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