原创 J.R. Doby 元素和同位素地球化学 2024年09月24日 09:23 江苏

近日，一项刊登在《科学报告》上的研究，提出了一种基于植物叶片中氮和碳含量以及稳定同位素比值（δ15N 和 δ13C）的简单分类模型，用以预测植物是否具备固氮能力。这一突破性的工作由佛罗里达大学生物系J.R. Doby及其团队完成，为更广泛的植物种类和生态系统的固氮共生现象研究提供了新的工具。固氮共生是陆地生态系统中至关重要的过程之一，它涉及将大气中的氮气转化为可供植物使用的形态。然而，由于缺乏直接的实验数据，目前仅对少数植物物种的固氮特性有所了解。通常情况下，科学家们会通过遗传关系来间接推断未经过实验验证的植物是否具有固氮能力，这种方法可能导致对固氮共生现象的低估。为了解决这个问题，研究人员开发了一种更为简便的现场或采集样本的方法来推断植物的共生状态。通过对比固氮植物与非固氮植物在元素构成和同位素组成上的差异，研究团队构建了一个分类模型，该模型利用现场收集的叶片样本中的氮和碳含量以及δ15N和δ13C的比值作为预测因子。结果表明，最佳模型包含了所有这些预测变量，并且准确率高达80%-94%。令人惊讶的是，在预测模型中，氮含量而非δ15N成为了最强有力的预测指标。这表明，未来的相关研究应该综合考虑元素和同位素信息。此外，模型预测结果在不同的环境背景下依然稳健有效，但研究也发现了本地物种与外来物种之间以及遗传亲缘关系上的显著差异。这项研究为那些尚未得到充分研究的植物种类和生态系统提供了宝贵的参考信息，可能允许进行更高通量的现场固氮植物评估。这对于未来生态学研究、保护生物学以及农业实践都有着重要的意义。通过这一模型，科学家们能够更快捷地识别出潜在的固氮植物，促进对全球氮循环和生态系统功能的理解。

更多信息请阅读:

Doby, J.R., Siniscalchi, C.M., Pajuelo, M. et al. Elemental and isotopic analysis of leaves predicts nitrogen-fixing phenotypes. Sci Rep 14, 20065 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-70412-8

附图：

图1. 主预测模型的标准化效应图，其中(a-d)为固定效应(灰色曲线表示95%置信区间)，(e)为随机效应(蓝色效应为正，红色效应为负)。在R版本4.3.1中创建的图。

图2. 美国东南部叶子材料取样的现场地图。投影:NAD83 (EPSG:26960)。在R版本4.3.1中创建的图。