Abstract In the near future, climate change will cause enhanced frequency and/or severity in terrestrial ecosystems, including tropical forests. Drought responses by tropical trees may affect their carbon use, including production of volatile organic compounds (VOCs), with unpredictable implications for carbon cycling and atmospheric chemistry. It remains unclear how metabolic adjustments by mature tropical trees in response to drought will affect their carbon fluxes associated with daytime CO 2 production and VOC emission. To address this gap, we used position-specific 13 C-pyruvate labeling to investigate leaf CO 2 and VOC fluxes from four tropical species before and during a controlled drought in the enclosed rainforest of Biosphere 2. Overall, plants that were more sensitive to drought had greater reductions in daytime CO 2 production. Although daytime CO 2 production was always dominated by non-mitochondrial processes, the relative contribution of CO 2 from the tricarboxylic acid cycle tended to increase under drought. A notable exception was the legume tree Clitoria fairchildiana , which had less anabolic CO 2 production than the other species even under pre-drought conditions, perhaps due to more efficient refixation of CO 2 and anaplerotic use for amino acid synthesis. C. fairchildiana was also the only species to allocate detectable amounts of 13 C label to VOCs, and was a major source of VOCs in the Biosphere 2 forest. In C. fairchildiana leaves, our data indicate that intermediates from the mevalonic acid pathway are used to produce the volatile monoterpene trans-β-ocimene, but not isoprene. This apparent crosstalk between the mevalonic acid and methylerythritol phosphate pathways for monoterpene synthesis declined with drought. Finally, although trans-β-ocimene emissions increased under drought, it was increasingly sourced from stored intermediates and not de novo synthesis. Unique metabolic responses of legumes may play a disproportionate role in the overall changes in daytime CO 2 and VOC fluxes in tropical forests experiencing drought.

Amazonian rainforest is undergoing increasing rates of deforestation, driven primarily by cattle pasture expansion. Forest-to-pasture conversion has been associated with changes to ecosystem processes, including substantial increases in soil methane (CH4) emission. The drivers of this change in CH4 flux are not well understood. To address this knowledge gap, we measured soil CH4 flux, environmental conditions, and belowground microbial community attributes across a land use change gradient (old growth primary forest, cattle pasture, and secondary forest regrowth) in two Amazon Basin regions. Primary forest soils exhibited CH4 uptake at modest rates, while pasture soils exhibited CH4 emission at high but variable rates. Secondary forest soils exhibited low rates of CH4 uptake, suggesting that forest regrowth following pasture abandonment could reverse the CH4 sink-to-source trend. While few environmental variables were significantly associated with CH4 flux, we identified numerous microbial community attributes in the surface soil that explained substantial variation in CH4 flux with land use change. Among the strongest predictors were the relative abundance and diversity of methanogens, which both increased in pasture relative to forests. We further identified individual taxa that were associated with CH4 fluxes and which collectively explained ~50% of flux variance. These taxa included methanogens and methanotrophs, as well as taxa that may indirectly influence CH4 flux through acetate production, iron reduction, and nitrogen transformations. Each land type had a unique subset of taxa associated with CH4 fluxes, suggesting that land use change alters CH4 cycling through shifts in microbial community composition. Taken together, our results suggest that changes in CH4 flux from agricultural conversion could be driven by microbial responses to land use change in the surface soil, with both direct and indirect effects on CH4 cycling. This demonstrates the central role of microorganisms in mediating ecosystem responses to land use change in the Amazon Basin.

The Amazon rainforest is a biodiversity hotspot and large terrestrial carbon sink that is threatened by agricultural conversion. Rainforest-to-pasture conversion leads to the release of a potent greenhouse gas by converting soil from a methane sink into a source. The biotic methane cycle is driven by microorganisms; therefore, this study focused on active methane-cycling microorganisms and their functions across land-use types. We collected intact soil cores from three land use types (primary rainforest, pasture, and secondary rainforest) of two geographically distinct areas of the Brazilian Amazon (Santarém, Pará and Ariquemes, Rondônia) and performed DNA stable-isotope probing coupled with metagenomics to identify the active methanotrophs and methanogens. At both locations, we observed a significant change in the composition of the isotope-labeled methane-cycling microbial community across land use types, specifically an increase in the abundance and diversity of active methanogens in pastures. We conclude that a significant increase in the abundance and activity of methanogens in pasture soils could explain the greater methane flux. Furthermore, we found that secondary rainforests recovered as methane sinks, indicating the potential for reforestation to offset greenhouse gas emissions in the tropics. These findings are critical for informing land management practices and global tropical rainforest conservation.