Drought impacts on microbial trait distribution and feedback to soil carbon cycling

• Published in: Functional ecology Vol. 36; no. 6; pp. 1442 - 1456
• Main Authors: Malik, Ashish A., Bouskill, Nicholas J.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: London Wiley Subscription Services, Inc 01.06.2022; British Ecological Society; Wiley
• Subjects: Carbon; Carbon cycle; Decomposition; Drought; Drying; drying–rewetting; Ecosystem studies; Ecosystems; Environmental changes; Environmental conditions; Environmental gradient; Environmental impact; Feedback; microbial traits; Microorganisms; Organic matter; Physiology; Resource availability; soil carbon; Soil chemistry; Soil microorganisms; Soil organic matter; Soil stabilization; Soils; water stress
• DOI: 10.1111/1365-2435.14010
• ISSN: 0269-8463

Quantifying the impact of drought on microbial processes and its consequences for soil carbon cycling is hindered by the lack of underlying mechanistic understanding. Therefore, there is a need to scale up the physiological response to changing water status from individual soil microbes to collective communities across different ecosystems. Here we propose the use of a framework that incorporates trait‐based ecology to link drought‐impacted microbial processes to rates of soil carbon decomposition and stabilisation. We briefly synthesise existing knowledge on the effects of drought on microbial physiology at the individual to community scale, before integrating this understanding within a framework incorporating life‐history strategy, ecological strategy and biochemistry. This framework highlights a dynamic allocation to high yield (Y), resource acquisition (A) and stress tolerance (S) pathways as environmental conditions change. Y‐A‐S strategies represent sets of traits that tend to correlate due to physiological or evolutionary trade‐offs. This framework enables assessment of microbial processes along two key environmental gradients of water and resource availability, both of which are constrained by drought. The variable chemistry of biomass and necromass produced under different physiological strategies in response to drying–rewetting impacts organic matter decomposition and stabilisation in soils, and should also be considered when quantifying soil carbon balance. We highlight that diversion of resources away from microbial growth can alter soil organic matter chemistry and its persistence depending on the kind of microbial compounds produced. To advance such a framework, we highlight avenues of research that would enable the further identification and quantification of traits linked to Y‐A‐S strategies and the physiological outcomes at the community level under drought and rewetting, and conclude by hypothesising how ecosystem‐level changes might feedback on to the soil carbon cycle. A scalable understanding of microbial drought‐response mechanisms affecting soil carbon cycling will transform the way microbial physiology is represented in ecosystem studies. Read the free Plain Language Summary for this article on the Journal blog. सारांश जलवायु परिवर्तन से सूखे की घटनाएं बढ़ रही हैं जिसके कारण कार्बन चक्र प्रभावित हो रही है। मिट्टी सूक्ष्मजीव अपघटन और कार्बन चक्र में केंद्रीय भूमिका निभाते हैं। सूक्ष्मजीव प्रक्रियाओं को सूखा कैसे प्रभावित करता है और पारिस्थितिकी तंत्र कार्बन संतुलन पर इसका क्या प्रभाव होता है, इसके परिणामों को मापना मुश्किल है। ऐसा करने के लिए, हमें सूक्ष्म जीवों की प्रतिक्रिया को बेहतर ढंग से समझना होगा। इस आलेख में हम एक ढांचे के उपयोग का प्रस्ताव रखते हैं जो वर्गीकरण से परे है और लक्षणों के रूप में सूक्ष्म जीव चयापचय पर केंद्रित है। इन लक्षणों को सूक्ष्मजीवों की प्रकट विशेषताओं के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। सबसे पहले, हम सूक्ष्म जीव लक्षणों पर सूखे के प्रभावों के मौजूदा ज्ञान को संश्लेषित करते हैं। फिर हम सूखे प्रभावित सूक्ष्म जीव लक्षणों को मिट्टी कार्बन परिवर्तन की दरों से जोड़ने के लिए हमारे ढांचे के भीतर इस समझ को एकीकृत करते हैं। इस ढांचे के मुताबिक, सूक्ष्मजीव व्यक्तिगत स्तर पर वातावरण के उतार‐चढ़ाव के जवाब में अपने संसाधनों को आवंटित करते हैं। सूखा आसपास के वातावरण को बदल देता है लेकिन सूक्ष्म जीवों के भोजन की उपलब्धता को भी प्रभावित करता है। सूक्ष्मजीवों के बदलते लक्षणों के अनुसार हम उनकी तीन प्रमुख जीवन‐इतिहास रणनीतियों की परिकल्पना करते हैं: उच्च उपज, संसाधन अधिग्रहण, और तनाव सहिष्णुता। हमारे ढांचे के अनुसार, जब सूखे का दबाव कम होता है और सूक्ष्मजीवों के भोजन की कोई कमी नहीं होती है, तो सूक्ष्मजीवों की वृद्धि उपज अधिक होगी। सूक्ष्म जीवों के व्यक्तिगत स्तर पर लक्षणों के तालमेल का मिट्टी जीवों के सामुदायिक स्वास्थ्य पे प्रभाव पड़ता है जो मिट्टी कार्बन संतुलन को निर्धारित करता है। इस तरह के ढांचे को आगे बढ़ाने के लिए हम इस आलेख में नये शोध के मार्गों को प्रस्तावित करते हैं, जिससे सूखे के तहत समुदाय स्तर पर सूक्ष्मजीवों के लक्षणों और जीवन‐इतिहास रणनीतियों की पहचान और माप कर सकते हैं। हम सूक्ष्मजीवों के चयापचय को मिट्टी में कार्बन चक्र से जोड़ने के तरीकों का भी प्रस्ताव करते हैं। मिट्टी कार्बन चक्र को प्रभावित करने वाले सूक्ष्मजीव सूखे‐प्रतिक्रिया तंत्र की समझ पारिस्थितिकी तंत्र के अध्ययन में सूक्ष्मजीवों के प्रतिनिधित्व में क्रांति लाएगा। Read the free Plain Language Summary for this article on the Journal blog.