不同农残堆肥对微生物群落和功能多样性的影响| 微生物专题

发表期刊：Science of the Total Environment

发表时间 ：2020

研究内容：不同农残堆肥对微生物群落和功能多样性的影响

影响因子：6.551

实验方法：16S rRNA基因测序+ITS+宏基因组测序[1] 

1 研究背景

微生物群落结构和功能形成了一个推动植物残体的分解、矿化，从而影响碳和氮的循环和储存的动态核心。微生物遗传分类学和功能多样性的整合作为影响农田、草原和森林等不同生态系统中土壤养分循环的驱动因素越来越受到重视，然而，长期覆盖作物对果园微生物群落结构和功能的影响仍知之甚少。众所周知，土壤有机质在土壤中积累非常缓慢，覆盖作物提供有机质（包括C、N和其他养分）是一个长期的重要目标，但以往关于覆盖作物对土壤生化性质影响的研究大多是短期的，生态系统的进化通常需要很长时间才能通过改变土壤资源来塑造微生物结构和功能多样性。本文作者研究的目的是确定长期覆盖作物中微生物群落对不同质量绿色废弃物的响应及其潜在功能，测定了与植物残体分解和养分循环相关的酶活性，并利用宏基因组技术检测了长期覆盖作物下细菌和真菌的群落结构。

2研究方法

本试验在陕西渭北黄土高原西北农林大学实验站的一个老果园进行。富士苹果于1998年栽植，行间3m×行间8m。处理方法包括常规耕作（CT），覆盖13年的果园草（OG，dactylisglomerata L.）和白三叶（WC，trifoliumrepens），白三叶草和果园草每年修剪两次（5月和10月），然后将植物残余物作为自然堆肥堆放在苹果树上。实验采用裂区设计，每个处理有三个重复区，在每个重复区重复取样两次。在每个样地的行间随机采集6个土样（直径5cm，深20cm的土芯），合并成一个复合样，共得到18个土样（3个处理×3个重复×2个样）。这些土壤用2毫米筛网过滤，然后将每个土壤样品分成三部分。第一个样品是风干的，用来测定土壤的物理和化学性质。第二个样品保存在4°C的冰箱中，用于测定土壤水分、有效养分含量、微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）以及酶活性。第三个样品保存在-80°C下进行微生物分析。再用0.5g土壤样品和HiPure土壤DNA试剂盒（Magen）提取微生物DNA，每个样品获得1μg的DNA用于进一步分析。

3研究结果

图1  

由图可以看出与CT治疗相比，OG处理显著提高了真菌α多样性（Chao1、Ace和Shannon），但对细菌α多样性没有影响。菌类多样性和非菌类多样性显著提高。微生物α多样性方面，OG处理对真菌有正向影响，WC处理对细菌有正向影响。

图2

结合MDSI分析与箱线图，显示了细菌（a）和真菌（b）的微生物群落结构。CT、OG和WC处理的样品分布差异表明，覆盖作物对土壤细菌和真菌群落有显著影响。此外，OG和WC处理的细菌群落群相似（图2a），但OG和WC处理之间真菌群落的显著差异（图2b），这表明真菌群落对牧草品种更敏感。基于加权UniFrac距离（图2c和d），评估了不同处理间细菌和真菌β多样性的差异。与CT处理相比，WC和OG处理的土壤真菌β多样性较低，这表明它们具有较高的真菌稳定性和较低的分散性（图2d）。

图3

Circos图展现了在细菌的门水平上，OG处理的优势菌门分别为放线杆菌（27.68%）和蛋白细菌（25.89%）。此外，与CT处理相比，使用OG和WC处理显著提高放线菌、氯仿和硬壁菌的相对丰度，放线菌和硬壁菌是利用难降解C源的快速生长细菌，它们可以通过分泌水解酶（如β葡萄糖苷酶和木聚糖酶）降解纤维素、木质素和木质纤维素，此外，它们的相对丰度随着溶解有机碳的增加而增加。因此，长期覆盖作物为放线菌和硬壁菌的生长提供了丰富的代谢底物。对于真菌，与CT处理相比，WC和OG处理的子囊菌相对丰度增加，在OG和WC处理中青霉属增加。土壤中子囊菌数量的增加有利于植物残体的分解。

图4

（a）对不同处理的土壤酶活性分析；（b）糖基转移酶（GT）家族是每个处理中最丰富的酶；（c）三个处理中碳水化合物酶基因的相对丰度。与CT治疗相比，WC和OG分别显著提高BG（20.65和26.07%）、CBH（61.57和69.48%）的活性。这些结果表明，长期输入有机物可以有效地刺激微生物分泌分解酶, 。此外，OG处理显著提高了BXYL的活性（26.07%）；与CT处理相比，WC和OG处理下两种N循环酶（UR和NAG）的潜在活性更大，说明适当的碳输入可以促进土壤氮素循环；与OG处理相比，WC处理更有利于N循环酶的增加。

图5

该图结果表明，与CT处理相比，WC处理提高了木质纤维素相关基因的相对丰度。OG处理提高了与纤维素有关的基因半纤维素的分解。与CT处理相比，覆盖九年的紫云英（Coronilla varia L.）增加了纤维素和半纤维素分解基因的相对丰度。WC和OG处理提高了AA3和AA7家族基因的相对丰度，这些基因可能参与木质纤维素化合物的降解。

图6 

基于KEGG数据库的热图，显示与C和N循环相关的功能基因相对丰度的差异。结果表明，WC和OG中的固碳基因（光合生物中的固碳基因和原核生物的固碳途径）CT治疗后相对丰度较高，与CT处理相比，OG和WC处理还增加了与碳循环相关的途径基因序列，此外，WC、OG和CT处理对与氨基酸代谢相关的子系统表现出不同的偏好，与WC和OG处理相比，CT处理导致与聚糖生物合成和代谢相关的基因相对丰度更高。

4结论

高C/N比有机基质有利于提高土壤真菌和细菌α多样性，长期的有机质输入刺激了难降解碳源代谢物，将其转化为优势菌群，促进了固碳和碳循环途径基因的富集。与WC处理相比，OG有利于提高植物降解酶的活性和碳水化合物酶基因的丰度。总的来说，覆盖物的性质是形成土壤微生物结构和功能多样性分化的根本原因。

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