植物菌根互作調節了植物氮（N）的限制，并可以為CO2增加對植物生長影響的持續時間和強度提供模型預測信息。在成熟的溫帶森林中，隨著自然土壤養分梯度的增加，紅櫟（Quercus rubra L.）對CO2增加?(iCO2)的施肥反應呈積極的、但依賴于環境的樹木年代學證據。我們通過外生菌根（ECM）真菌N覓食性狀相關的宏基因組測量和植物吸收無機氮（IN）和土壤有機質綁定N (N-SOM)的樹木年代學模型共同來研究這種異質性響應。在IN有效性較低的土壤條件下，N-SOM可以促進樹木生長，ECM真菌群落具有更大的降解SOM和獲得N-SOM的基因組潛力。這些樹經歷了38年的持續CO2施肥。相比之下，植物在IN豐富的土壤中生長，與之共生的ECM真菌群落具有較低的SOM降解能力，iCO2對樹木生長并無顯著影響。本研究闡明了ECM真菌群落的N覓食性狀分布會如何影響樹木對N-SOM的獲取及后續其對iCO2的生長響應。

逐漸升高的CO2刺激了全球范圍內的總初級生產力，地球系統模型（ESM）指出這種效應可延續至2070年。雖然全球范圍的研究推斷出適度的歷史施肥效應，但在成熟森林生態系統規模上，CO2增加刺激生產力的證據尚不明確。在成熟森林中進行的CO2富集控制實驗表明CO2升高（eCO2）對樹木生長存在著正的、適度的和飽和的響應。氮（N）有效性，特別是在成熟的森林被廣泛認為制約了樹木生長對CO2的響應。

植物氮限制通常與IN的有效性有關，而IN需通過微生物礦化土壤有機質(SOM)轉化而成。相比之下，土壤有機質綁定N (N-SOM)被認為是植物無法直接獲得的， ESM模型中很少考慮N-SOM的作用。然而，對N-SOM的收收可能是特定植物短期適應IN供給不足的重要途徑。植物對N-SOM的吸收取決于外生菌根(ECM)真菌共生體的活性。ECM真菌可能酶降解和非酶降解機制獲得N-SOM。盡管ECM群落為植物提供了大部分的N，但ECM群落及其N-覓食特性與植物對iCO2響應之間關系的研究及其缺乏，極大地限制ECM宿主植物生長對iCO2相應的準確預測。

植物與ECM形成互惠共生關系以最大化獲取氮和最小化植物碳（C）支出（C投資的N收益）。不同的ECM類群降解SOM的能力差異很大，更強的分解能力需要更多的植物C投資。在IN有效性較低的條件下，選擇獲取N-SOM可能更加有利。我們推測由于N- SOM和IN都對樹木生長有貢獻。因此,與具有更強分解潛力的ECM群落共生的樹木（即生長在IN貧乏土壤中）的對iCO2的響應最大。相反，樹木氮源以IN為主（即生長在IN豐富的土壤中），樹木對iCO2的生長效應較小（圖1）。本研究旨在，（1）闡明N-SOM對樹木生長的貢獻；（2）沿著自然土壤IN梯度，量化ECM真菌群落聚集降解性狀（CADT）；（3）揭示CADT和樹木N-SOM獲取與樹木對iCO2響應的關系。

圖1. 不同氮（N）形式對樹木生長的假設性貢獻(紅色和橙色線; y-軸)以及樹木對歷史性CO2 增加（iCO2）的反應。這些響應隨無機氮供應速率的變化而變化(凈氮礦化速率:x軸)。深藍色箭頭表示iCO2相對化施肥反應(箭頭寬度)。利用宏基因組學方法估算了ECM真菌群落組成、形態性狀和群落聚集衰變性狀(CADT)，并假設它們隨土壤無機氮有效性的變化而變化。注:假設ECM類群的優勢地位在超根根狀菌絲和中長距離探索形態上發生了轉變。根上的白色斑點表示ECM根尖的相對豐度

1）樹木年代學模型與植物N吸收

在考慮了其他生長限制因素后，沿著土壤凈氮礦化(即IN供應)的梯度，樹木年增長率（BAI）是一致的(圖2A)。然而，如果在樹木生長（BAI）中增加N-SOM這一預測因子后，則觀察到生長速率與IN供應之間的關系將被削弱。(圖2A中的斜率變小，紅色)。我們發現植物生長促進效應與N礦化梯度的拐點出現在0.53±μg IN g-1d-1 (Fig. 2B)，BAI和凈N礦化率之間存在顯著的變化點，變化點左側的斜率明顯比右側的斜率更弱（更小）。在BAI統計變化點以下的樹木生長顯著大于僅基于無機氮貢獻的預測。在考慮了其他生長限制變量后，我們將這高于預期的生長響應解釋為N-SOM對樹木生長的假定貢獻。

2） 外生菌根群落分析

與模擬BAI對土壤無機氮有效性的響應一致，ECM群落的組成和形態特征也發生了顯著變化。這些變化與假設的N-SOM和無機N對樹木生長的貢獻相一致（圖 3）。無機氮有效性低的條件下，ECM群落中Cortinarius占優勢（圖 3A）。Cortinarius被認為可分泌大量的氧化酶參與N-SOM的獲取。相反，在高無機N有效性條件下，Russula占優勢（圖 3B）。其他ECM類群，如衍生自白腐菌的Hebeloma，在低無機氮土壤中存在相對較高的豐度，可能也有助于本文所觀察到的功能轉移。我們還檢測了形成根狀菌絲和外延菌絲的ECM類群的相對豐度，以及與獲得有機氮相關的形態特征。形成根狀菌絲的ECM屬和中距離探測類型的相對序列豐度，在BAI變化點以下的紅櫟個體顯著大于在統計BAI變化點以上的個體(圖3C, D)。

生長響應與N-SOM吸收一致的紅櫟（Q. rubra）個體（即生長在低無機N土壤中的個體），其ECM群落具有明顯的降解SOM的特征。這些ECM群落通常具有更高的CAZy 基因（圖 3E）。在BAI改變點以下顯著富集的幾個關鍵基因家族包括纖維二糖脫氫酶(AA3_1)和裂解多糖單加氧酶(LPMO’s: AA9, AA10, AA11)，它們共同作用于降解SOM（Fig. 3F）。GDM分析表明，ECM降解基因的組成豐度對凈N礦化率表現出強烈的群落閾值響應（最大值為0.5μg IN g soil-1 d-1））。這一ECM群落的臨界響應值與BAI閾值是一致的，表明了在IN有效性較低的土壤中，低于該閾值的ECM群落具有相似的基因組降解潛力。在BAI閾值一下，隨著無機氮有效性逐漸降低，某些ECM基因家族的轉錄差異可能解釋了N- SOM對樹木生長的潛在貢獻更大。

3）樹木生長響應

我們計算了每棵樹的年生長氮效率(GNE)，以該值為年大氣二氧化碳量的應變量（圖 4A, D）。采用變化點分析法分析每棵樹的斜率參數(λ)(即，iCO2效應)作為凈N礦化率的應變量（圖 4 B, E）。模型估算顯示在N礦化梯度上，樹木生長和CO2效應(λ)的變化點為凈氮轉化速率成為0.39±0.01 μg IN g?1 soil d?1（圖 4 E）。土壤凈N轉化低于這一點時，CO2 濃度增加促進GNE，導致CO2施肥的正效應；相反，生長更高的IN有效應土壤中?（即該拐點的右邊），CO2的施肥效應不顯著（圖 4F）。

圖2. 無機氮和N-SOM對植物生長的貢獻分析框架和模型。（A）樹木生長作為凈氮礦化率應變量的代表性分析。變化點分析確定拐點的發生和位置，以及每邊的斜率參數值。（B）基徑面積增量（BAI），取自沿著研究的凈氮礦化梯度(黑色圓圈代表單個生長年)的54棵紅櫟樹。紅色和藍色線表示模型估計的BAI均值和95% PI在識別的變化點(BAI變化點;估算值是根據其他協變量的平均值計算的)。R2表示總體貝葉斯模型擬合度。（C）?斜率參數之間存在顯著差異(95% CIs不重疊;不同的字母表示(n = 54))。星號表示參數不等于零(95% CI不與零重疊)。

圖3. 土壤N梯度下ECM群落組成、形態和功能轉化與其N覓食性狀的協同關系。A和B.沿凈氮礦化速率梯度（x軸）ECM真菌Cortinarius和Russula的相對序列豐度。彩色條帶描述了GAM擬合曲線；C. 箱式-須狀圖描述了BAI閾值以上及以下ECM真菌形成的短或中距離勘探類型；D. BAI閾值（0.53 N g soil -1 d-1）以上和以下形成菌索狀菌絲的ECM真菌群落序列相對豐度；E. CAZy 基因總數；F. 在BAI閾值一下豐富顯著增加的特定基因屬。

圖4. 環境依賴性iCO2施肥響應的分析框架和證據。A. 沿凈氮礦化梯度生長-氮效率指數(GNE)作為歷史大氣CO2濃度增加的應變量(不同線及其相對斜率)的代表性分析框架；B. iCO2 (λ)對植物生長影響的概念圖, 變化點分析可以探測到沿土壤梯度生長 響應的拐點；C. 由圖B的紅色和藍色部分得出的θ的差異，表明變化點前后不同斜率值。D.過去38年收集的54棵紅櫟樹的年代學數據。單個點代表估計的年GNE值，不同顏色代表林下土壤凈氮礦化比率的高低。E. 單個點代表單個樹對二氧化碳的響應（平均模型斜率來自圖D）。F. 變化點（E）左邊和右邊的斜率平均值和95%置信區間。