农业资源与生态环境研究所土壤团聚体研究团队研究揭示: 宏团聚体是土壤微生物群落网络交互与功能表达的“热区”

转载自厚土学社公号（2022年4月11日）

农业资源与生态环境研究所土壤团聚体研究团队研究揭示:

宏团聚体是土壤微生物群落网络交互与功能表达的“热区”

       土壤结构对于孔隙发育、水气交换、有机质固存过程至关重要。作为土壤最基本的结构单元，团聚体发育是土壤形成过程中不可或缺的必要阶段，可以极大地影响微生物群落发育和随之而来的生物地球化学过程。以往研究已经充分认识到，可以通过特定的细胞外酶活性来研究土壤碳氮循环功能，然而无法以该方式详细了解微生物群落介导的土壤功能。最近PICRUSt和FUNGuild工具在研究细菌功能谱和真菌群落方面表现出很大优势性：通过分析功能结果可表达土壤微生物群落的代谢功能以及营养和生态策略；另一方面，使用高通量测序数据集，有助于揭开微生物群落内微生物个体之间的群落组装模式和相互作用。但是，在不同施肥条件下，特别是在团聚体尺度上，通过微生物在不同粒级团聚体上发挥的作用来解开土壤如何发挥生态系统服务功能的研究认识仍然有限。

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研究方法

       研究团队在江苏苏州野外试验基地开展了不同施肥处理的田间试验。在稻田每年分别常规施肥(CF)、添加秸秆施肥(CFS)、添加猪粪施肥(CFM)，以不施肥(NF)作为对照处理。在2013年11月水稻收获季，分别采集各处理的耕层(0-15 cm)原状土土芯。采用湿筛-连续离心法分离> 2000 µm级团聚体(L-MacA)、2000-250 µm级团聚体(MacA)、250-53 µm级团聚体(MicA)、53-2 µm级团聚体(F-MicA)和 < 2 µm级组分(F-Clay)。在测定物理化学性质和DNA提取之前，将分得的团聚体各组分样品冷冻干燥并储存在-70 °C环境下的聚乙烯袋中。进一步地，在对真菌和细菌种群的DNA提取定量后，对微生物组成和群落结构进行评估以及对微生物进行共现网络分析和群落功能预测。

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研究结果

       首先，与不施肥(NF)相比，各处理下的SOC和TN含量均显著增加，但常规施肥(CF)下C/N无显著变化；同时，在添加秸秆施肥(CFS)下MBC显著增加而MBN无变化。在所有处理中，团聚体分离实验的回收率达到了94.23-99.45%，且主要以F-MicA (32.3-38.2%)和MacA (23.0-31.5%)组分为主，而F-Clay组分贡献率最小 (4.9-7.5%)。与不施肥(NF)相比，施肥处理中MacA的质量比例显著增加了19.2-37.3%，而F-MicA的质量比例减小了14.0-15.5%。因此，各施肥处理下主要通过影响MacA和F-MicA组分的比例来增加土壤平均质量直径(表1)。

表1 不同施肥处理下的团聚体基本性质和组分含量

注：NF，CF，CFM和CFS分别代表不施肥、常规施肥、添加猪粪施肥和添加秸秆施肥。L-MacA，MacA，MicA，F-MicA和F-Clay分别代表 > 2000 µm级团聚体、2000-250 µm级团聚体、250-53 µm级团聚体、53-2 µm级团聚体和 < 2 µm级组分。

       其次，利用16S和18S rRNA基因拷贝对细菌和真菌种群大小进行定量：在施肥处理中，细菌16S rRNA基因丰度在MacA组分中最高而真菌18S rRNA基因丰度在L-MacA组分中最高，但二者在包括L-MacA，MacA和MicA在内组分中并不显著差异，但施肥后在F-MicA组分中细菌16S rRNA和真菌18S rRNA基因拷贝数均显著增加。此外，B/F值在45.97-611.23之间，在L-MacA或MacA组分中最低，并且伴随团聚体粒级的减小而逐渐增加，值得注意的是，该比值在施肥处理下的F-MicA组分中下降(表2)。

表2 不同施肥处理下的团聚体内细菌16S rRNA和真菌18S rRNA基因丰度

注：NF，CF，CFM和CFS分别代表常规不施肥、施肥、添加猪粪施肥和添加秸秆施肥。L-MacA，MacA，MicA，F-MicA和F-Clay分别代表 > 2000 µm级团聚体、2000-250 µm级团聚体、250-53 µm级团聚体、53-2 µm级团聚体和 < 2 µm级组分。

       再次，在各处理之间的相同粒级团聚体组分内，细菌种群的香农多样性指数通常大于真菌。与细菌种群不同的是，真菌种群香农指数伴随着团聚体粒径的减小呈现出增加趋势。而CFM处理下各级团聚体内细菌和真菌种群香农指数对应其他处理相同粒级团聚体最低 (图1)。而在不同粒级团聚体组分内检测到的细菌种群主要由Chloroflexi (3.5-30.8%)、Betaproteobacteria (11.2-20.6%)、Acidobacteria (12.0-17.9%) 和 Deltaproteobacteria (6.3-10.6%)组成；真菌群落主要由Ascomycota (39.8-64.9%) 和 Basidiomycota (35.6-59.7%)组成 (图2)。

图 1 不同施肥处理下团聚体内细菌和真菌群落的香农指数。NF，CF，CFM和CFS分别代表常规不施肥、施肥、添加猪粪施肥和添加秸秆施肥。L-MacA，MacA，MicA，F-MicA和F-Clay分别代表 > 2000 µm级团聚体、2000-250 µm级团聚体、250-53 µm级团聚体、53-2 µm级团聚体和 < 2 µm级组分。

图 2 基于V4-V5 16S rDNA序列的平均相对丰度，分类分别为门水平(变形菌门)的细菌(A)和门水平的ITS1-ITS2序列的真菌(B)。显示的细菌门和真菌门平均比例均超过1%。NF，CF，CFM和CFS分别代表常规不施肥、施肥、添加猪粪施肥和添加秸秆施肥。L-MacA，MacA，MicA，F-MicA和F-Clay分别代表 > 2000 µm级团聚体、2000-250 µm级团聚体、250-53 µm级团聚体、53-2 µm级团聚体和 < 2 µm级组分。

       另外，基于非度量多维标度分析法，细菌群落组成明显受团聚体粒级和施肥处理共同影响：与较大粒级团聚体组分相比，施肥后，F-MicA和F-Clay组分中的细菌群落没有显著变化，L-MacA，MacA和MicA组分中的细菌群落结构相似，而F-MicA和F-Clay组分中的细菌群落结构彼此相似。相比之下，真菌群落结构改变对于施肥处理的响应更加明显，团聚体粒级对于真菌群落结构的影响不大 (图3)。

图 3 不同粒级团聚体内细菌群落(A)和真菌群落(B)在OTU水平上的非度量多维标度缩放图 (NMDS)。█代表> 2000 µm级团聚体(L-MacA)，◆代表2000-250 µm级团聚体(MacA)，▲代表250-53 µm级团聚体(MicA)，▼代表53-2 µm级团聚体 (F-MicA)，╳代表< 2 µm级组分(F-Clay)。红色代表未施肥(NF)，绿色代表常规施肥(CF)，蓝色代表添加猪粪施肥(CFM)，CFS代表添加秸秆施肥(CFS)。虚线分别表示A中MicA和F-MicA之间的边界，以及B中MacA和MicA之间的边界。

      最后，细菌共现网络主要隶属于Proteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria, Bacteroidetes和Ignavibacteriae；而真菌共现网络则以Ascomycota, Chytridiomycota, Glomeromycota, Basidiomycota和Zygomycota为中心。细菌-真菌共现网络归因于52.9-69.2%的细菌群落以及30.8-47.1%的真菌群落。一般的，不同粒级团聚体内微生物的共现网络会表现出不同的模式，而相比于真菌群落而言，不同粒级团聚体内细菌群落无论是正相关共现网络还是负相关共现网络都要复杂得多，这种差异在MicA，MacA和L-MacA中尤为显著。总体而言，微生物群落在MacA上相比于MicA组分表现出更高的网络性能，且相比于真菌群落以及细菌-真菌群落共现网络，细菌群落表现出更高的网络性能(图4)。

图 4 基于Spearman等级相关系数矩阵的不同粒级团聚体内细菌，真菌和细菌-真菌正相关与负相关共现网络。

       综上所述，通过对太湖地区常规施肥方案下稻田土壤不同粒级团聚体内微生物群落结构、相互作用和功能分布的研究。结果表明，在所有处理下，SOC和微生物丰度主要在宏团聚体中得以保存和体现。同时，与微团聚体相比，宏团聚体中与SOC积累相关的微生物丰度增加，微生物网络和相互作用增强，具有更多与碳和氮代谢相关的功能基因。此外，土壤宏团聚体往往含有较少的真菌寄生虫和枯枝落叶腐生菌，这表明在有机/无机联合施肥下促进团聚化过程的土壤健康状况更好。进一步地，不同粒级土壤团聚体中微生物的空间分布与相互作用可以用以支持施肥导致地稻田土壤肥力和健康变化情况。换言之，在全球粮食生产和气候变化等问题的压力下，团聚体内微生物分布、相互作用和功能的动态变化对反映稻田作物生产力和土壤生态功能等至关重要。这一研究是南京农业大学的土壤团聚体功能研究的新进展，并朝着土壤有机质-土壤结构-土壤生物效应的土壤功能协同理论的构建积累了科学认识。

       该研究成果以“Macroaggregates Serve as Micro-Hotspots Enriched With Functional and Networked Microbial Communities and Enhanced Under Organic/Inorganic Fertilization in a Paddy Topsoil From Southeastern China”为题，在线发表在Frontiers in Microbiology期刊上。该研究为南京农业大学农业资源与生态环境研究所完成，该所博士生芮郅鹏为第一作者，潘根兴教授为通讯作者。在该所学习的博士生李子川、林志和陆海飞等也参与了这项研究。该工作得到国家自然科学基金和国家“双一流学科”学科建设项目的资助。

论文链接: https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.831746

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翻译撰写：冯   潇

编       辑：尚明月

校       审：潘根兴

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