2021-07-12
期刊：《Soil Biology and Biochemistry》
影响因子：7.609
最近，派森诺生物再次与中科院土壤所合作，在期刊《Soil Biology and Biochemistry》发表论文，揭示了pH是塑造老成土土壤中，固氮菌群丰度、多样性和组成结构的主要驱动力。
研究背景
老成土分布在热带和亚热带地区，占全球土壤类型的8.4%。这些土壤一般具有低阳离子交换力(CEC)和pH值、高营养浸出、高铝锰毒性和低结构稳定性、很少或没有矿物储量。为了提高作物产量，大量的肥料，特别是无机氮肥被用于改良老成土，这反过来又加剧了土壤酸化，引发金属毒性，威胁环境可持续发展。增强生物固氮是满足低氮肥条件下植物营养需求的一种替代方法。尽管对老成土固氮菌的研究很少，但在其他类型的土壤中，菌群的活性、丰度和群落结构型已被证明是受到各种物理和化学性质的影响，包括土壤pH、氧分压、碳含量、氮利用率、土壤质地、土壤团聚体大小，但结果之间存在不一致。这些不一致的结果可能是由于特定的固氮菌群对不同生态系统的环境因素作出的反应不同。
研究目的
1、评估长期施肥是否会影响固氮菌群的丰度、多样性和群落结构；
2、确定老成土中优势固氮属对关键影响因子的反应。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组nifH功能基因测序
实验对象：土壤样本
实验设计：实验组于1988年4月建立了一个长期的田间试验，以监测无机肥和有机肥及其组合对作物产量和老成土的物理化学和固氮力的影响。
研究结果
1、土壤理化性质
表1 长期施用无机和有机肥后土壤物理化学性质
2、nifH基因拷贝数
nifH基因拷贝数在对照组最高（9.92 × 105 copies g−1），NL和NPM处理对nifH基因拷贝数有最大的抑制作用。然而，与N处理相比，植物残体的应用对nifH基因丰度没有影响。nifH基因的丰度和DON，NO3−-N与DCo呈正相关，和pH，DOC和AP呈负相关。
图1 不同组中nifH基因拷贝数
3、固氮菌群多样性
对照组固氮菌多样性（Shannon和Simpson）和OTU丰度（Chao1和Observed species）低于NL和NPM处理组。然而，与N处理组相比，植物残体对固氮菌多样性和OTU丰度没有影响。多元回归分析表明，固氮菌多样性和丰度主要受土壤pH所影响，土壤pH占变异的32%以上。进一步的相关分析显示固氮菌多样性和丰度的所有指标与土壤pH呈负相关（P<0.01）。
图2 多元回归分析固氮菌群和土壤理化特性Alpha多样性
4、固氮菌群结构
过滤后得到996,682条高质量序列，每个样品序列为38,920至63,662不等，每个处理组获得了79至189个OTU。NL的固氮菌群与较高的土壤pH相关，而NPM处理的固氮菌群与SOC，DOC，AP和TN相关。对实验地块的446个OTU的MRT分析显示，群落组成主要受土壤pH影响。
所有处理中，OTU被划分到不同的属，其中最丰富的属相对丰度大于1%。Azospirillum，Bradyrhizobium和Azohydromonas是处理中三种最优势的属，总丰度占了nifH基因序列的77.8%-97.4%。这些属的丰度在不同组中有所差异。
大多数OTU在N，NPS，NRS和NR处理之间共有，并且PERMANOVA分析证实在这些处理之间固氮菌群没有差异。OTU355是对照组中丰度最高的指示物种，相对丰度为2.89%，与Bradyrhizobium密切相关，与土壤pH，SOC，DOC，AP和AK呈负相关，与NO3−-N和DCo呈正相关。NL组中丰度最高的指示属是OTU97，相对丰度为2.88%，与Azohydromonas紧密相关，与土壤pH呈正相关，与NO3−-N（P < 0.01）呈负相关。NPM中指示物种是OTU88，与Frankia密切相关，丰度为1.57%，与DOC和AP呈正相关，与DCo（P < 0.05）呈负相关。
图3 处理间固氮菌群结构的CCA分析
图4 优势固氮属和处理间的响应
图5 对照组、NL和NPM处理组中的指示物种
讨论与总结
1、长期施用氮肥降低了酸性老成土中nifH基因的丰度，石灰和猪粪在NL和NPM组有抑制作用。作者的研究中，NH4+浓度很低（<0.7 mg N kg-1），对照和施肥处理没有差异，主要是由于夏季降雨量大导致的高植物吸收和氮损失。此外，作者发现NL组的硝化活性显著高于其他处理组中的硝化活性，这主要是由于土壤pH增加，表明NL处理中的NH4+浓度更有效地转化为NO3-。因此，作者认为NH4+浓度如果有的话，一定程度上有助于降低试验土壤中nifH基因的丰度。土壤pH值与nifH基因丰度呈负相关，被认为是nifH基因丰度的主要预测因子。此外，土壤pH<4.5对Bradyrhizobium的生长也是有害的，因此将土壤pH从极端酸增加到4.5可以促进nifH基因丰度。
2、研究结果表明，土壤pH是影响老成土中固氮菌群多样性的最重要决定因素。长期施肥所引起的土壤pH变化，选择了不同类型的固氮菌群，并随后改变了他们群落结构，特别是在NL和NPM组。Azohydromonas是石灰处理组（NL）中丰度最高的指示物种，占了全部序列的78%。Azohydromonas相对丰度和土壤pH之间呈显著正相关（R = 0.932，P <0.001），说明酸性土壤pH值的增加有利于其生长。另外，作者发现Frankia仅在NPM组中出现，它是其最优势的指示物种。NPM组中优势属是Azospirillum，并且显著高于对照和NL组。因此，NPM和NL组中优势固氮菌群结构的改变，可能影响共生氮固氮能力。另外，与仅施NPK的处理N组相比，作者的研究中NPK肥料加上植物残渣的应用，在固氮菌群群落结构只有很小的影响作用。
该研究表明，施肥+石灰或猪粪增加土壤pH值，降低了nifH基因的丰度和多样性。长期施肥使固氮菌群结构从对照组单一优势Bradyrhizobium转变为NL组Azohydromonas和NPM组Azospirillum。然而，除了氮磷钾肥料外，作物残体的施用对固氮菌群的影响不大。
文章索引：
Yongxin Lin, Guiping Ye, Deyan Liu, Stewart Ledgard, Jiafa Luo, Jianbo Fan, Junji Yuan, Zengming Chen, Weixin Ding (2018).Long-term application of lime or pig manure rather than plant residues suppressed diazotroph abundance and diversity and altered community structure in an acidic Ultisol .Soil Biology and Biochemistry 123(2018) 218–228.
