【新疆棉花】合成生物学驱动第四次工业革命，生物技术促进新疆棉花健康绿色发展
石河子大学吕新组：Ecological Research：Soil chemical properties drive the structure of bacterial communities in the cotton soil of arid northwest China
Article,2021-03-22
第一作者：Haiyan Liu(刘海燕)
通讯作者：Xin Lv(吕新，lxshz@126.com)；Rong Yang(杨榕，yangr@tib.cas.cn)
主要单位：石河子大学（1 Key Laboratory of Oasis Eco-agricultures, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang, China；2 Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin, China；3 Agricultural Technology Promotion Station of the Sixth Division of Xinjiang Production and Construction Corps, Wujiaqu, Xinjiang, China；4Xinjiang Academy of Agriculture and Reclamation Science, Shihezi, Xinjiang, China）
写在前面
从团队的的角度来讲：作为石河子大学吕新老师旗下土壤大数据团队的成员，我们团队，还有我十分感谢在数据分析及文章修改阶段，黄志勇老师及团队成员杨榕老师对文章提出的建议和改进，有关微生物多样性相关研究我们是从零基础开始合作。从个人的角度来讲，2016年至今，读博士期间我结识了许多良师益友，不断的主动或者被动的注入新鲜血液，确实收益非浅。我常说：“我一个85后出生的人掉到了90后的年代，年龄可上下浮动8岁，然而我对知识的追求永无止尽”。
摘要
在过去的几十年里，中国西北的大部分沙漠-绿洲交错带已经被开垦为棉花种植区。然而，干旱和极干旱地区长期单作棉花后复垦土壤细菌群落组成与土壤化学性质的关系仍不甚清楚。在这里，我们收集了两个棉花连续种植超过20年的农场的土壤样本。结果表明，两种农田土壤细菌群落组成存在显著差异，其差异可以用速效钾、速效氮、速效磷、全氮和土壤pH值来解释。新湖农场Verrucomicrobia的相对丰度显著高于第十农场，而Bacteroidetes和Nitrospirae在第十农场占优势。在多个位点上，Bacteroidetes的丰度与速效氮和速效磷呈正相关，而Verrucomicrobia的丰度与全氮和速效钾呈正相关。此外，通过系统发育多样性、shannon多样性和OTU丰富度量化的细菌群落多样性在第十农场更高。干旱和极干旱地区土壤细菌多样性与速效氮均呈正相关，与速效钾呈负相关。结果表明，速效钾、速效氮、速效磷、全氮和pH都是影响土壤细菌群落形成的关键因子。因此，在复垦土壤中应考虑速效氮和速效钾对细菌群落多样性的影响。
1.材料及方法
1.1研究区概况
Figure 1 Sampling of the map
土壤样品在中国西北新疆地区的两个高纬度站点(40°61′-44°96′，81°19′-86°63′)采集(图1)。新湖农场(约2万hm2)位于新疆北部，作为其干旱生态系统的代表性站点。海拔约471米，平均温度为10.7℃，年平均降水量为200毫米。第十农场(约15000 hm2)位于新疆南部，被认为是一个极端干旱生态系统的代表性站点。海拔约1104米，平均温度为11.9℃，年平均降水量为50毫米。
1.2土壤理化性质的测定
土壤pH值是用pH计以1:1.5的土水比测定的。用重铬酸盐氧化和硫酸亚铁铵滴定法测定总有机碳(TOC)和总氮(TN) 。用2mkcl溶液提取铵态氮(AN)，并进行流动注射分析。用3%碳酸铵比色法测定了速效钾(AK)和速效磷(AP)。
1.3分析方法
使用非度量多维标度(NMDS)排序图来识别细菌群落结构的差异，使用R中的“元”函数。置换多变量方差分析(PERMANOVA)用于检验高度的显著影响。土壤质地及其对土壤细菌群落结构的相互作用在R.中使用功能“adonis”，采用Mantel检验检验群落结构与土壤化学变量之间的相关性，在R.中采用方差分配分析(VPA)来量化海拔的相对贡献。在R版本3.5.2 (http://www.r-project.org/)中，使用功能“vegan”对土壤质地和土壤化学变量对细菌群落结构变化的影响。相对丰度是根据样品中对应不同类群的reads的比例计算出来的。通过Student’s t检验，评估海拔对丰富门的系统发育多样性(PD)、Shannon指数、OTU丰度和相对丰度的影响。采用单因素方差分析(ANOVA)和95%置信水平的邓肯检验，检验土壤质地对丰富门相对丰度的影响。采用SPSS 21.0软件计算Pearson相关分析，测量系统发育多样性(PD)、Shannon指数、OTU丰富度与土壤化学变量之间的关系。
主要结果
2.1细菌群落的多样性和组成
在质量控制和嵌合序列去除后，33份土壤样本中总共保留了1,943,721个细菌16S rRNA基因，用于随后的群落分析。每个样本的序列数量从29,384到68,589不等，平均为59540个可供进一步分析。海拔471米位点有29,384-68,589条序列，海拔1104米位点有44,927-67,970条序列。根据遗传距离分别为0.03、3000-4547和3880-5046 OTUs分别位于471米和1104米位点。
为了进行群落比较，我们只分析了10个最丰富的门的分布。每个门占超过0.3%的序列，用于进一步分析。最代表细菌类群是变形菌门(平均相对丰度38.38%)，放线菌(13.94%)、酸杆菌门(13.08%)，和芽单胞菌门(10.52%)。进一步的分析发现，一些类群的相对多度显示明显的差异在不同海拔高度而不是土壤质地社区。疣微菌门的相对丰度在海拔471米处显著高1104米处(P=0.012)，拟杆菌门和硝化螺旋菌门的相对丰度在1104 米处显著高于471米处(P =0.024) (Figure 2)。
Figure 2 Bacterial community composition on phylum level
2土壤性质对细菌群落多样性和组成的影响
土壤化学性质差异显著(Table 1)。盐含量、速效氮和速效磷在第十农场显著高于新湖农场。另一方面，全氮和速效钾在新湖农场的含量高于第十农场。
Table 1 Physical and chemical properties of the soil samples collected at the Xinhu farm and the Tenth farm in arid northwest China.
Note: Data (mean±SE) followed by different lowercases in each row indicated significant differences (P≤0.05) between the two sites.
两个站点之间的细菌群落组成不同(Figure 3) ,但这种差异不是由土壤质地的影响或站点交互作用(Table 2) )。
然而，我们检测到土壤性质(包括速效钾、全氮、速效氮、速效磷和pH)对细菌群落组成的显著影响(Figure 3; Table 3)。第十农场1104 m处的速效氮和速效磷含量升高，这与拟杆菌门的丰度增加相关。新湖农场471 m处较高的全氮和速效钾浓度也增加了Verrucomicrobia的丰度(Figure 4)。在研究区域内,增加pH值与放线菌的相对丰度负相关(r =-0.429, p<0.05),但与大量的Acidobacteria呈正相关(r = 0.415, p<0.05)。
Figure3 nonmetricmultidimensional scaling redundancy analysis
Figure.4 Correlation analysis
Table 2 The relative importance of site, soil texture and their interaction for soil bacterial communities of willow as revealed by PERMANOVA. Bold indicates significance: *0.05≥p≥0.01; **0.01>p≥0.001; ***0.001>p.
Table 3 The correlation between soil properties and bacterial communities.The correlations (r) and significant (P) were determined by Mantel test between the community structure and soil chemical variables. Bold indicates significance: *0.05≥p≥0.01; **0.01>p≥0.001; ***0.001>p.
系统发育多样性(PD)、Shannon指数和OTU丰富度在第十农场较高(Figure 5a- c).。这些生物多样性指数均与速效氮呈正相关(Figure 5d- f)，与速效钾负相关(Figure 5g- i). Shannon指数也随着速效磷(r = 0.377,p<0.05)和pH ((r = 0.366, p<0.05)的增加而增加。
Figure.5 Correlation analysis
主要结论
本研究有助于更好地理解土壤性质对西北地区棉花土壤细菌群落组成和多样性的影响。尽管Verrucomicrobia、Bacteroidetes和Nitrospirae的相对丰度在不同采样地点存在差异，但土壤速效氮和速效钾含量是生态过渡带细菌群落多样性和组成的主要驱动因素。因此，在棉花种植过程中，应尽量增加速效氮和减少速效钾的施用量，以促进土壤细菌多样性和土壤可持续性。
作者介绍
吕新，男，1964.11，博士/研究生，教授，研究方向为农业信息技术、作物信息技术与精准栽培、农业大数据、水肥一体化技术。新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室副主任；中国作物学会理事；新疆农业气象学会副理事长；国家节水灌溉工程技术研究中心（新疆）学术委员会副秘书长；兵团作物学会秘书长新疆农学会副秘书长。
学习和工作经历
1987年在中国农业大学本科农业气象专业毕业，1990年至1994年在南京气象学院攻读应用气象专业硕士，获得理学硕士学位；1999年至2002年在山东农业大学攻读作物栽培专业博士，获得农学博士学位。
承担科研项目
（1）教育部创新团队“绿洲现代农业精准技术研究与规模化应用”（IRT13080），2014.01-2016.12，2017年获滚动支持，项目主持。
（2）863计划课题“智能农业装备目标识别、定位与控制技术”（2013AA100307），2013.01-2017.12，项目主持。
（3）国家重点研发计划“智能变量施肥作业技术与系统装置研发”（2017YFD0700503），2017.07-2020.12，课题负责人。
（4）国家科技支撑计划“棉花高产高效关键技术研究与示范”（2014BAD11B02），2014-01-2018.12，课题负责人。
（5）国家自然科学基金项目“滴灌棉田两种不同滴灌施肥方式施氮效果的研究”（31360301），2014.01-2017.12，项目主持。
（6）兵团重大科技项目“适宜机采的不同生态区棉花品种筛选与评价”（2016AA001-1），2017.01-2019.12，课题负责人。
（7）863计划课题“棉花规模化生产精准作业技术与装备”（2012AA101902），2012.01-2015.12，主持。
（8）国家农业成果转化资金专项“滴灌春小麦变量控制施肥中试与示范”（2013GB2G410558）2013.01-2015.12，主持。
（8）兵团工业攻关项目“变量施肥精准控制装置与应用”（2013BA008）2013.01-2015.12，主持。
发表论文
（1）Monitoring of Aphis gossypii Using Greenseeker and SPAD Meter，J Indian Soc Remote Sens，ISSN:1129-8596,通讯作者（SCI收录）。
（2）Spatiotemporal Variations of Reference Crop Evapotranspiration in Northern Xinjiang, ChinaThe Scientific World Journal，ISSN:1537-744X，通讯作者（SCI收录）
（3）Defining Agricultural Management Zones Using Gis Techniques: Case Study of Drip-irrigated Cotton，FieldInformation Technology Journal，ISSN:1812-5638，通讯作者。
（4）基于GIS、RS的滴灌棉田土壤养分精确管理分区研究，农业机械学报，ISSN:1000-1298，通讯作者。
（5）滴灌精准施肥装置棉田施氮配肥能力研究，农业机械学报，ISSN:1000-1298，通讯作者。
（6）棉花氮素营养诊断与追肥推荐模型，农业机械学报，ISSN:1000-1298，通讯作者。
（7）不同氮水平下棉花冠层NDVI分析与产量估测，农业机械学报，ISSN:1000-1298，通讯作者。
（8）柴达木盆地干旱区灌溉枸杞田土壤砷空间变异及评价，农业机械学报，ISSN:1000-1298，通讯作者。
专利
（1）发明专利，2015年，滴灌棉田棉蚜快速监测与预警方法，ZL20131048265.1（排名第一）。
（2）发明专利，2015年，一种活塞密封式滴灌肥罐，ZL201210203813.1（排名第一）。
（3）发明专利，2016年，一种应用在滴灌上的精量控制施肥配肥装置，ZL201210151681.2（排名第一）。
（4）实用新型，2012年，膜下滴灌变量控制施肥装置，ZL201120417501.1（排名第一）。
（5）实用新型，2015年，滴灌自动化精准电磁配肥装置，ZL201420776058.0（排名第一）。
（6）实用新型，2015年，一种能够自动监测反馈溶液中钾离子浓度的传感器，ZL201520400458.6（排名第一）。
（7）实用新型，2015年，一种无线电远程操控精量自动配肥装置，ZL201520309673.5（排名第一）。
软件登记
（1）膜下滴灌棉花水肥一体化高效管理系，2013SRSR01709。
（2）团场资源规划与精细管理系统，2014SR205198。
（3）棉蚜监测预警系统，2015SR193064。
（4）滴灌变量控制施肥远程检测系统，2015SR070442。
（5）棉花施肥决策专家系统，2015SR053040。
（6）农业生产信息服务系统，2015SR068158。
专著
（1）2016年《新疆棉作理论与现代植棉技术》，副主编，科学出版社，ISBN:978-7-03-050013-7。
（2）2016年《当代全球棉花产业》，副主编，中国农业出版社，ISBN:978-7-109-21776-8。
（3）2017年《新疆作物学基础研究状况与重点发展领域分析报告》，副主编，新疆文化出版社，ISBN:978-7-5469-9132-0。
科研获奖
（1）2015年“新疆棉花持续高产高效生产技术体系研究与推广应用”获国家科技进步二等奖，集体奖（获奖人员中排名第二）。
（2） 2016年“规模化棉花精准生产技术及产品示范与推广”，全国农牧渔业丰收奖(排名第一)。
（3）2015年“棉花生产全程精准管理关键技术及产品研发与应用”，中国产学研合作创新成果一等奖（排名第一）。
（4）2013年“棉花高效生产精准技术及产品开发与示范”，全国农牧渔业丰收奖，一等奖（排名第一）。
荣誉称号
（1）2014年，兵团科技进步突出贡献奖
（2）2014年，新疆生产建设兵团特聘专家
（3）2014年，自治区第十批突出贡献专家
（4）2014年，兵团英才第一层次
（5）2013年，新疆维吾尔自治区农业厅专家
（6）2013年，教育部创新团队带头人
（7）2016年，石河子大学并校20周年特别贡献银质奖章
（8）2016年，新疆生产建设兵团屯垦戍边劳动奖章
（9）2016年，第八届中国技术金桥奖
（10）2017年，科学中国人（2016）年度人物
作者介绍
简历
1995.08 - 1999.08，在中国科学院微生物所任实习研究员；
1999.09 - 2000.10，获联合国教科文组织奖学金，在日本大阪大学和东京大学留学；
2000.11 - 2001.12中科院微生物所任助理研究员；
2002.01 - 2002.09美国University of Missouri 访问学者；
2002.10 - 2008.10在美国University of Georgia 的Savannah River Ecology Lab任研究主任；
2008.11至今在中科院天津工业生物技术研究所任研究员。
天津市“工业生物系统与过程工程”重点实验室副主任、“应用微生物生态工程”研究组负责人。毕业于兰州大学获理学博士学位。
现为中国欧美同学会会员、天津市知联会理事、天津滨海新区政协委员、天津市滨海新区留联副主席，国际微生物生态学会会员、美国微生物学会会员、美国地质学会资深会员、中国微生物学会会员，天津微生物学会常务理事、天津环境科学学会理事。
研究方向：
多年来主要研究微生物生态学、环境微生物学、微生物群落功能及其工程应用。先后开发多种环境微生物技术，在土壤修复、废水处理、大气治理等领域都进行了广泛引用。
代表论著：
发表SCI收录论文50多篇，引用率600多次，专著2部，国家发明专利44项。
1. Y. Han, X. Ma, W.Zhao, Y. Chang, X. Zhang, X. Wang, J. Wang, and Z. Huang*. (2013)Sulfur-oxidizing bacteria dominate the microbial diversity shift during thepyrite and low-grade pyrolusite bioleaching process, Journal of Bioscience andBioengineering,116(4): 465-471
2. S. Xu, Y. Liu, J.Wang, T. Yin, Y. Han, X. Wang, and Z. Huang*. (2015) Isolation and potential ofOchrobactrum sp. NW-3 to increase the growth of cucumber, International Journalof Agricultural Policy and Research, 3(9):341-350
3. Z. Huang*, Song Xu,Yifan Han, Yuan Gao, Y. Wang and C. Song, (2016) Comparative study of Dushanziand Baiyanggou mud volcano microbial communities in Junggar Basin in Xinjiang,China. International Research Journal of Public and Environmental Health,3(11):244-256
4. J. Wang，W. Zhao, Y. Liang, Y.Han, X. Wang, X. Zhang, X. Ma, D. Zhang, Z. Huang*, (2017) Development of aprototype 16S rRNA gene-based microarray for monitoring planktonic actinobacteria in shrimp ponds ,International Aquatic Research, 9:71–80
5. W. Zhao, J. Wang, Y.Liang, Z. Huang*. (2017) Development of a 16S rRNA gene-based microarray forthe detection of marine bacterioplankton community, Acta Oceanologica Sinica, 36:106-114
6. J. Wang, H. Wang, T.Yin, S. Xu, W. Zhao, J. Wang, Z. Huang*, (2017) The persistence and performanceof phosphate-solubilizing Gluconacetobacter liquefaciens qzr14 in a cucumber soil, 3 Biotech, 7:294
7. Abbass Jafari Kang,Alistair K. Brown, Charles S. Wong, Zhiyong Huang, Qiuyan Yuan*, (2018)Variation in Bacterial Community Structure of Aerobic Granular and Suspended Activated Sludge in the Presence of the Antibiotic Sulfamethoxazole, Bioresource Technology, 261:322-328
8. J. Wang, Q. Li, S.Xu, W. Zhao, Y. Lei, C. Song and Z. Huang*, (2018) Traits-based integration ofmulti-species inoculants facilitates shifts of indigenous soil bacterial community, Frontiers in Microbiology , 9:1692In 2015, we won the Innovation Achievement Award of Industry-University-Research Cooperation in China.
承担科研项目情况：
先后主持和参加40多项国家、地方、企业科技项目。
获奖及荣誉：
获得中国产学研创新成果奖1项、天津滨海新区科技进步三等奖1项。
2018年被评为首批天津“滨海新区杰出科技人才”。
作者介绍
刘海燕，2016级博士，研究方向农业信息化与精准栽培。2018年5月30-31日，在中科院天津工业生物技术研究所参加中国科学院天津工业生物技术研究所“新一代生物制造”研究生学术论坛：《Effect of three microbial agents on promoting growth of cotton》报告获得“绿色生物加工”分论坛学术报告二等奖。2019年7月21日《互联网加肥站云平台》五届兵团创新创业大赛（一师阿拉尔市赛区）暨第一届一师阿拉尔市创新创业大赛二等奖。
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