土壤含水率对豫中植烟土壤微生物群落多样性及氮循环功能基因丰度的影响

为揭示豫中典型浓香型烤烟产区植烟土壤氮素矿化动态变化、土壤微生物多样性以及氮素循环功能基因对水分条件的响应特征,通过室内培养法研究50%(H-50%)、65%(H-65%)和80%(H-80%)持水量条件下,河南许昌植烟土壤细菌和真菌群落功能多样性的差异。结果表明,H-65%处理土壤的无机氮矿化量及矿化速率均高于其他处理。在土壤细菌中,变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)为优势菌门(相对丰度>3%),其中,H-80%处理中变形菌门的相对丰度显著高于其他处理,而厚壁菌门的相对丰度显著低于其他处理;H-50%处理中放线菌门、绿弯菌门的相对丰度显著高于其他处理。在土壤真菌中,子囊菌门(Ascomycota)占土壤真菌总OTU(operational taxonmic units)数的90%以上,其相对丰度随土壤含水率增加呈倒“V”的变化趋势。LEfSe(LDA effect size)分析结果表明,各处理在细菌属水平共检测出6种活性生物标志物(LDA值>3.5)。细菌群落具有丰富的功能多样性,一级功能层表现为代谢方面较活跃,二级功能层的功能基因丰度在不同含水率条件下发生明显变化;与固氮过程相关的固氮酶基因nifK、nifD、nifH的相对丰度在不同处理中表现为H-50%>H-65%>H-80%,反硝化过程相关基因norB、nirK、nosZ的相对丰度均在H-65%处理最高。综合来看,合理调控土壤含水率可以有效调节豫中烟区土壤氮素矿化动态、土壤微生物群落功能多样性以及氮循环相关功能基因的丰度。

佳乐麝香与镉复合污染对土壤微生物群落功能和丰度的影响

为考察佳乐麝香(HHCB)和镉(Cd)复合污染对土壤微生物群落的影响,采用Biolog和q PCR技术对土壤微生物群落的功能多样性和丰度进行研究。研究发现,HHCB及其与Cd复合污染提高了土壤微生物对碳源的利用能力,6大类碳源利用中以对酯类利用效率最高,对糖类和羧酸类利用效率较低。HHCB污染下,Shannon、Simpson和Mc Intosh指数没有显著性变化,500、1000 mg·kg-1HHCB与Cd复合污染下三种指数显著提高。HHCB加入后,土壤微生物的种群丰富度提高,优势种群增加,种群间的均一性被打破。500、1000 mg·kg-1HHCB及其与Cd复合污染显著促进了细菌生长,HHCB污染显著抑制了放线菌生长。细菌的丰度随HHCB浓度的增加而增加,真菌和放线菌的丰度则随着HHCB浓度的增加而降低,放线菌受HHCB与Cd的影响比细菌和真菌更敏感。

基于宏基因组测序揭示不同施肥方式对茶园土壤微生物群落的季节性影响

为揭示不同施肥方式对茶园土壤微生物群落的季节性影响,采用宏基因组测序,比较分析了同一茶园习惯施肥(CF)、微生物有机肥配施控释复合肥(MC),在冬季至夏季3个时间点[11月14日(CF1、MC1)、3月1日(CF2、MC2)、5月15日(CF3、MC3)]的土壤微生物群落组成和结构。结果表明,共获得311211956条高质量测序数据和1763759个Unigenes。主成分和相关性分析表明,MC1和CF1的土壤微生物基因丰度聚为一类,其他独聚一类。不同季节,CF和MC的细菌、古菌、真菌分别占微生物总数的88%~89%、0.8%~2.0%、0.02%~0.10%;古菌数量逐渐增加,真菌数量先增加后降低。CF2、CF3的古菌数量分别高于MC2、MC3,而真菌数量相反;CF2、CF3的细菌、真菌丰度分别显著低于MC2、MC3,古菌丰度相反。MC1、MC2、MC3之间的细菌、古菌、真菌丰度存在显著差异,而CF1与CF3的真菌丰度接近。相较于CF,MC提高了土壤细菌中的变形菌门、放线菌门、芽单胞菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、硝化螺旋菌门、装甲菌门相对丰度,降低了酸杆菌门、疣微菌门、浮霉菌门相对丰度;提高了古菌中的奇古菌门相对丰度,降低了广古菌门、泉古菌门、深古菌门相对丰度;提高了真菌中的毛霉门、捕虫霉门、隐真菌门相对丰度,降低了担子菌门相对丰度。总体上,CF和MC优势细菌门、优势古菌门、优势真菌门相对丰度的季节性变化趋势存在一定差异。茶园土壤微生物群落组成和结构呈现一定的季节性、施肥方式性变化规律;微生物有机肥配施控释复合肥可以提高土壤细菌丰度、真菌数量和丰度,降低古菌数量和丰度,改变土壤优势菌群的组成,为充分利用微生物资源、提高茶树养分利用率等提供了理论依据。

针阔人工混交林及其纯林对土壤微生物碳循环功能基因丰度的影响

探究土壤微生物碳循环功能基因丰度对深刻理解土壤碳循环机制具有重要作用,然而土壤微生物碳循环功能基因丰度对不同人工林类型的响应特征尚不清楚。以南亚热带马尾松(Pinus massoniana)-格木(Erythrophleum fordii)人工混交林及其纯林为研究对象,基于林地不同土层(0-20、20-40、40-60 cm)土壤样品的宏基因组测序数据以及土壤理化性质和有机碳组分,解析不同林分不同土层间土壤微生物碳循环(碳固定、碳降解和甲烷代谢)功能基因丰度的差异特征及其主导的土壤环境因子。结果表明:马尾松林土壤微生物碳固定功能基因(rcbL、MUT和PCCA)丰度显著高于其他2个林分,这与其土壤总磷(TP)含量较高且微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)、颗粒有机碳(POC)和惰性有机碳(ROC)含量显著较低的影响有关;土壤微生物碳降解功能基因(MAN2C1和bglB)丰度在马尾松林中显著高于混交林(P<0.05),主要受到马尾松林土壤有机碳(SOC)、MBC、可溶性有机碳(DOC)、EOC和ROC含量低的显著影响;马尾松林甲烷代谢功能基因(pmo A-amo A、pmoB-amo B和pmoC-amo C)丰度显著最高,这与土壤SOC、MBC、DOC、EOC和ROC的显著负作用有关。另外,3个人工林土壤微生物碳循环功能基因丰度基本随土壤深度增加而增加,主要与土壤SOC、C/N、MBC、DOC、EOC和ROC含量随土壤深度加深而降低密切相关。总之,马尾松林土壤微生物具有较高碳循环潜力,但3个林分土壤微生物碳循环潜力均随土壤深度增加而增强,土壤有机碳组分是主导3个人工林土壤微生物碳循环功能基因丰度差异的重要因素。

氮磷添加下典型温带、亚热带森林土壤氮循环功能基因丰度和微生物群落属性数据集

氮和磷是维持土壤微生物生长和活性的必需养分。中国温带和亚热带森林之间,以及森林土壤垂直剖面上的氮、磷含量差异巨大,土壤微生物群落特征也显著不同。在严重氮沉降影响下,中国东部土壤养分失衡和磷元素限制日益加剧。但是,目前并没有系统的数据集展示氮沉降和磷添加如何影响中国东部森林土壤氮循环微生物和土壤理化性质,从而更好阐释氮沉降和磷添加对森林土壤氮循环的影响。本研究基于全球变化联网实验平台,测定和整理了3个具有典型代表性的森林氮磷添加样地土壤氮循环功能基因丰度、微生物群落多样性和酶活性,形成一套较为系统的氮循环功能微生物属性数据集。本数据集包括中国东部温带(长白山)和亚热带(千烟洲和鼎湖山)森林氮磷添加野外控制实验样地的0–10cm的表层土壤和无养分添加的0–80cm土壤垂直剖面数据。数据包括:氮循环功能基因(氨氧化古菌amoA、氨氧化细菌amoA、nirK、nirS、nosZ、qnorB、narG、nir、nifH和chiA)丰度、群落多样性和组成、微生物潜在活性(硝化活性、反硝化活性、固氮活性、有机氮分解酶活性)和土壤理化性质(pH、土壤含水量、N2O排放、净硝化速率和有机碳、NH4+、NO3-、有效磷、总氮、总碳、总磷、溶解性有机碳含量)。本数据集的创建和共享将为全球变化氮沉降和磷添加背景下森林土壤氮循环的微生物驱动机制及模拟提供数据和理论支持,为森林生态系统温室气体N2O的排放、氮素淋失和养分管理提供数据和依据。

三江源国家公园不同草地土壤微生物功能基因的差异性分析

土壤微生物在陆地生物地球化学循环过程中起着非常重要的作用。为了探索青藏高原高寒草地类型地上植被特性和地下土壤环境与土壤微生物功能基因之间关系,以三江源国家公园高寒草原、高寒沼泽化草甸及高寒草甸3种典型草地类型为研究对象,利用基因芯片(GeoChip 5.0)技术测定其微生物功能基因丰度,并分析它们之间的差异及影响因素。结果表明:(1)3种草地类型地上群落结构和地下土壤环境存在差异性,其中高寒草原物种多样性指数、pH值较高,沼泽化草甸中土壤含水量、微生物量碳、地上生物量、土壤速效氮含量较高,高寒草甸中则是土壤微生物量氮含量较高;(2)3种高寒草地类型的碳循环、氮循环、磷循环、有机修复的土壤微生物功能基因丰度存在显著差异,其中这些功能基因的丰度在高寒沼泽化草甸最高,高寒草甸、高寒草原次之;(3)地上植物物种多样性虽对功能基因丰度变化的解释率(r2)在57.1%-61.2%之间,但统计学上不显著(P>0.05),而微生物基因丰度随地上生物量的增加而增加,且解释率(r2)为77.5%-80.0%(P<0.05)。在pH、土壤含水量、土壤微生物量等地下土壤环境因子中,pH对功能基因丰度存在显著影响(P<0.01)解释率在83.4%-87.5%间,且土壤微生物功能基因丰度随土壤pH的增加而降低;土壤含水量、土壤微生物量对土壤微生物功能基因丰度的解释率分别为81.9%-83.1%(P<0.05)和76.8%-86.2%(P<0.05),微生物功能基因丰度随这两者含量的增加呈上升趋势。进一步运用RDA分析发现,pH、土壤微生物量、地上生物量是影响微生物功能基因丰度的主要因子,其中土壤微生物量是土壤有机质的重要组成部分,土壤有机质又是通过地上植被凋落物沉积所得到的。因此,地上植被特性的自上而下控制因子影响了土壤环境中自下而上的控制因子,间接的影响了微生物功能基因丰度。由此得出,地上植被特性和地下土壤环境因子共同作用控制了微生物功能基因丰度使其出现差异性。

土壤微生物生态过程与微生物功能基因多样性

土壤微生物在陆地生态系统中具有重要的生态功能,包括参与地球化学物质循环、污染物降解、环境剧烈变化的缓冲等.土壤微生物的生态功能与土壤功能联系密切,微生物群落结构与组成变化会直接影响土壤功能的发挥.土壤微生物通过具有生物活性的酶参与一系列的代谢活动,编码酶的功能基因成为微生物功能标记物.近10年中,以功能基因多样性为核心的分子生态学研究迅速发展,为从功能基因角度了解土壤微生物的生态功能提供了一个新的切入点.本文综述了与土壤微生物生态功能相关的功能基因多样性研究进展,并对该领域的发展前景提出展望.

菠萝不同连作年限对土壤理化性状和微生物群落丰度的影响

以未种植菠萝的空地土壤为对照,研究分析了连续种植菠萝5 a和15 a的土壤理化指标、酶活性及微生物群落丰度的变化及其规律。结果表明,与对照相比,连续种植菠萝5 a和15 a的土壤pH分别降低了0.39和0.57个单位,酸化明显;有机质、全氮、铵态氮、有效磷含量显著增加;土壤速效钾及交换性Mg、Ca含量降低;有效B、Na含量升高;土壤微生物生物量碳较对照提高了1.74倍和1.71倍;土壤微生物生物量氮较对照提高了56.01%和72.96%,但差异不显著。连续种植菠萝5 a的土壤酸性磷酸酶活性升高1.60倍,差异显著;土壤细菌、真菌丰度提高了1.56倍和26.54倍,放线菌丰度降低了35.39%。连续种植菠萝15 a的土壤过氧化氢酶活性较对照降低了52.63%;土壤细菌、放线菌丰度分别降低37.18%和13.78%,真菌丰度提高了40.74倍。

参与土壤氮素循环的微生物功能基因多样性研究进展

土壤氮素循环是生物地球化学循环的重要组成部分,不但影响着土壤生产力和可持续发展,还影响着全球环境变化。土壤微生物在土壤氮循环中发挥着不可替代的作用,参与了包括固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用等重要生态过程。近十年中,分子生物学技术的发展为从功能基因角度研究与土壤氮循环密切相关的微生物功能群结构、组成和丰度的变化提供了新的契机。本文综述了参与土壤氮循环的微生物功能基因多样性研究进展,并展望了未来发展方向。

转基因大豆对根际土壤微生物群落功能多样性的影响

采用大田试验结合Biolog技术比较分析了种植转基因大豆PAT与其亲本PAT1、转基因大豆ALS与其亲本ALS1及当地主栽大豆中黄13对根际土壤微生物群落功能多样性的影响。结果表明,由平均颜色变化率(AWCD)反映的土壤微生物活性呈现以下变化规律:在整个温育过程中,两种转基因大豆根际土壤微生物活性均高于相应亲本,当地品种中黄13根际土壤微生物活性介于转基因大豆和非转基因亲本大豆之间;两种转基因大豆根际土壤微生物群落物种均一度(J)和优势度指数(D)较对应亲本均无显著差异(P>0.05),转基因大豆PAT根际土壤微生物群落香农-维纳指数(H)与亲本相比差异不显著(P>0.05),而转基因大豆ALS根际土壤微生物群落香农-维纳指数(H)显著高于其亲本ALS1(P<0.05)。主成分分析结果表明,转基因大豆PAT、亲本PAT1、非转基因亲本大豆ALS1以及中黄13土壤微生物群落碳源利用类型相似,仅转基因大豆ALS土壤微生物碳源利用类型表现出差异。对不同碳源的分析结果表明,土壤微生物利用的主要碳源为糖类、氨基酸类、羧酸类和聚合物。

萘对川西亚高山森林土壤微生物量、丰度和磷脂脂肪酸的影响

萘作为土壤动物化学抑制剂已在土壤动物生态功能的研究中广泛使用,但其非目标效应使其应用仍存在很大的不确定性。为了解在亚高山森林土壤应用萘抑制土壤动物群落的非目标效应,以川西亚高山森林土壤为研究对象,采用微缩实验研究了土壤微生物生物量、丰度和磷脂脂肪酸对萘胁迫的短期响应。结果表明,萘处理和对照的土壤微生物生物量碳(MBC)、真菌丰度以及细菌、真菌、革兰氏阳性菌(G^+)和革兰氏阴性菌(G^-)PLFAs含量在整个培养期间表现为降低的变化趋势,二者的土壤微生物生物量碳和G^+PLFAs含量以培养52d最低,细菌、真菌和G^-PLFAs含量以培养的45d最低。萘处理和对照的微生物生物量氮(MBN)含量表现出先升高后降低的动态,微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)则表现为相反趋势。对照的真菌/细菌PLFAs比值呈现先升高后降低的动态,以培养的17d最高,但萘处理的真菌/细菌PLFAs比值无明显变化规律;萘处理的G^+/G^-PLFAs比值表现为降低的变化趋势,对照的G^+/G^-PLFAs比值表现为先降低后升高的趋势。萘处理仅显著影响了G^+/G^-PLFAs比值,但萘处理和采样时间的交互作用显著影响MBC/MBN、细菌丰度、真菌/细菌丰度比以及细菌、真菌的PLFAs含量、真菌/细菌PLFAs比值、G^+/G^-PLFAs比值。萘作为土壤动物抑制剂对川西亚高山森林土壤微生物群落的非目标效应具有时间变异性。

转Bt基因棉粉碎叶对土壤微生物群落功能多样性的影响

采用Biolog GN2微平板法,研究转Bt基因棉粉碎叶添加到土壤后,对土壤微生物群落功能多样性的影响。结果表明,在转Bt基因棉粉碎叶添加到土壤后,第10天和第40天的平均颜色变化率(AWCD)显著提高,表明微生物群落的代谢加快,活动强度加大;土壤微生物群落对糖类、胺类、氨基酸类和羧酸类4类碳源的优势利用顺序发生明显变化,表明土壤微生物群落结构及其功能多样性发生了一定改变;土壤微生物群落对聚合物类和其他类碳源的利用率无显著影响,但显著提高对糖类、胺类和氨基酸类碳源的利用率,并仅在第10天显著降低对羧酸类碳源的利用率,表明降解糖类、胺类和氨基酸类碳源的微生物可能是转Bt基因棉粉碎叶影响的主要土壤微生物类群。

不同粉碎度小麦发酵高温大曲的微生物群落结构及功能特征比较

该研究将不同粉碎度的小麦分别用于高温大曲发酵,对发酵过程变化及成曲率进行监测,并运用宏基因组测序技术对发酵结束后黑、黄、白曲的微生物群落结构及功能特征进行解析。结果表明,低粉碎度组曲坯温度最快达到60℃,且三次升温松弛有度,不会长时间过热,成品曲中黄曲占比最高(82.37%)。高粉碎度组黑、黄曲中主要细菌累积相对丰度占比达28.95%以上,远高于其余两组。中、低粉碎度组黑、黄曲中微生物群落以曲霉菌属(Aspergillus)、罗萨氏菌属(Rasamsonia)、拟青霉菌属(Paecilomyces)、篮状菌属(Talaromyces)等真菌为主,主要真菌总占比达73.95%以上,明显高于高粉碎度组。黑曲和黄曲的大曲糖苷水解酶(Glycoside Hydrolases,GHs)基因主要由罗萨氏菌属、曲霉菌属、拟青霉菌属等散囊菌目真菌贡献(占比46.78%~62.33%),白曲中的GH基因主要源于糖多孢菌属(Saccharopolyspora)。研究结果进一步证实了小麦粉碎度对大曲品质的重要影响,并初步探究了不同碳水化合物活性酶基因的微生物来源,对全面了解高温大曲发酵、科学指导高温大曲生产有切实参考。

微生物差异丰度分析方法的研究进展

近年来,随着高通量基因组测序技术的发展,例如16S rRNA基因靶向扩增子测序和Shotgun宏基因组测序,人们能够更加精确地定量分析人体内微生物组的组成信息[1]。重要的统计学任务之一是差异丰度(differential abundance,DA)分析,该分析基于测序处理获得的微生物丰度表与样本的元数据特征表,旨在确定与感兴趣的变量相关的微生物。DA分析可以为疾病机制研究提供生物学见解,并探索可能作为疾病预防、诊断和治疗的生物标志物[2]。由于微生物丰度数据的复杂多样性,目前尚未开发出成熟稳健的DA分析工具,以确定可靠的微生物标志物。本文旨在对近年来国内外研究者广泛应用的DA分析工具进行整理,系统地总结各个方法的核心思想和优缺点,以便同领域研究者更方便、灵活地选择DA分析工具,并探讨新方法的发展方向。

施肥对我国黑土农田土壤微生物群落多样性影响的研究及展望

东北黑土是珍贵的土壤资源,由于长期的重用轻养,农田黑土退化问题已是一个不争的事实。施肥是保持/提高黑土农田生产力、保障作物产量的一项重要的农艺措施。本文综述了长期施用有机肥、无机肥、有机无机肥配施,以及无机肥氮(N)、磷(P)、钾(K)及其不同的组合施肥对黑土农田土壤细菌、真菌、固氮菌、反硝化细菌等微生物的数量、群落alpha多样性和beta多样性等方面影响的最新研究进展。发现研究结果因试验地点、季节气候、试验处理、目标微生物种类、甚至研究者的采样年限而不同。多数研究发现,长期施用化肥,特别是氮肥显著地降低了细菌丰度和alpha多样性指数,但对真菌丰度和alpha多样性指数影响不显著。不同施肥明显改变了黑土微生物beta多样性,但这种改变是有限的,相同施肥处理没有驱动不同试验地点土壤微生物群落结构同质化演替,表明东北黑土微生物分布具有很强的地域性。对长期施用不同的无机肥研究发现,N素较P素和K素在驱动黑土农田土壤微生物群落变化上作用更为明显。在论述长期施用有机肥改变土壤微生物群落结构的同时,也阐述了有机肥施用带来潜在的抗生素抗性基因污染的生态风险及对抗性基因的阻控措施。文章最后总结了目前施肥影响黑土农田微生物研究中存在的不足之处,并提出5点未来应加强的研究建议。

大青山不同树种根围土壤酶活性与微生物群落丰度的研究

针对大青山山地森林不同树种的根围土壤,探讨微生物丰度与土壤酶活性之间的联系以及受控因子。利用荧光实时定量PCR方法研究不同树种土壤微生物丰度的变化情况,分析土壤β-葡萄糖苷酶(βG)、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和过氧化物酶(Pod)活性以及土壤理化性质的变化趋势。采用主成分分析(PCA)和皮尔森相关性分析方法研究土壤理化因子对土壤微生物群落丰度的影响。结果显示,土壤理化性质和微生物细菌、真菌群落丰度从春季到秋季均显著增高,如有机碳、全氮、微生物量碳和氮数量及细菌、真菌丰度等;大青山森林土壤βG、Pod酶活性夏季较高,而NAG酶活性秋季较高。皮尔森相关性分析表明大青山不同树种土壤酶活性与土壤微生物丰度有明显的相关性。与NAG酶活性极显著正相关(P<0.05);与Pod酶活性呈极显著负相关(P<0.05);而βG只与细菌群落丰度呈极显著负相关(P<0.05)。土壤理化因子(有机碳、全氮、微生物量碳氮)与土壤微生物群落丰度均表现为极显著正相关。主成分分析认为,土壤有机碳、全氮、微生物量碳和氮、细菌和真菌群落丰度、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶等可作为影响不同树种根围土壤养分特性的重要因子。在大青山山地森林生态系统,不同树种对土壤理化指标、土壤微生物丰度和土壤酶活性影响较大,并且随着季节变化响应较强。理化指标和土壤微生物群落丰度是调控大青山森林植被根围土壤微生物群落的主要生态因子。

苜蓿种植年限对土壤硝化潜势和氨氧化微生物丰度的影响

依托布设在黄土高原半干旱区的长期定位试验,通过高通量测序研究不同种植年限(L2003、L2005和L2012)苜蓿土壤氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)丰度,并分析揭示了影响氨氧化微生物丰度的环境因子。研究结果表明,土壤硝化潜势随苜蓿种植年限延长逐渐下降,其中,L2012、L2005和L2003处理的硝化潜势分别为0.05、0.04、0.04μg·g^-1·h-1,且处理间差异显著(P<0.05);土壤全氮含量随苜蓿种植年限延长逐渐增加,其中,L2012、L2005和L2003处理的全氮含量分别为1.02、1.14、1.18 g·kg^-1,且处理间差异显著(P<0.05),L2003和L2005处理的全氮含量分别比L2012高15.69%和11.76%;土壤硝态氮含量表现为随种植年限延长显著增加(P<0.05),L2003处理和L2005处理硝态氮含量分别比L2012处理提高59.73%和33.62%。高通量测序发现,AOA amoA基因拷贝数为9.75×10^6~12.68×10^6个·g^-1,明显高于AOB的5.01×10^6~7.70×10^6个·g^-1,AOA丰度随苜蓿种植年限延长显著增加(P<0.05),但AOB丰度表现出随种植年限延长先升高后降低的趋势,这表明黄土高原半干旱区苜蓿土壤氨氧化微生物以AOA占主导地位。相关分析表明,AOA丰度与土壤全氮(r=0.853)和硝态氮(r=0.833)均呈极显著正相关,但与硝化潜势(r=-0.802)呈极显著负相关,AOB丰度与土壤氮素含量和硝化潜势没有明显相关性。由此可见,黄土高原半干旱区苜蓿土壤氨氧化微生物以AOA为优势类群,且对苜蓿种植年限有更强烈的响应,但其并未主导土壤硝化过程。

丛枝菌根真菌与有机肥配施对甜玉米根际土壤氮素转化及氮循环微生物功能基因的影响

【目的】研究丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)配施有机肥对甜玉米根际土壤氮素转化及氮循环微生物功能基因的影响,明晰AMF配施有机肥对甜玉米-土壤氮循环的微生物学过程,为氮肥利用率提高、化学氮肥减施增效提供技术支撑。【方法】采用大田区组试验,在磷(P2O5150 kg·hm^-2)、钾(K2O 225 kg·hm^-2)施肥水平一致的基础上设计7个施肥处理:(1)不施氮肥(CK);(2)优化施肥(OF);(3)有机氮肥替代10%化学氮肥(ORF10);(4)有机氮肥替代20%化学氮肥(ORF20);(5)有机氮肥替代10%化学氮肥+增施变形球囊霉(Glomus versiforme)(ORF10+AMF);(6)有机氮肥替代20%化学氮肥+增施变形球囊霉(ORF20+AMF);(7)不施氮肥+增施变形球囊霉(CK+AMF);每个处理3次重复。应用土壤常规理化指标分析方法和微生物功能基因芯片(GeoChip 5.0)技术,对不同施肥处理的甜玉米氮素利用率、氮代谢相关酶活性及氮循环功能基因进行分析。【结果】增施变形球囊霉能显著提高氮利用率。变形球囊霉配施有机肥对氮肥农学效率(NAE)、氮肥偏生产力(PFP)、氮肥吸收利用率(NRE)、硝酸还原酶(NR)、谷氨酸合酶(GOGAT)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性具有极显著的正交互效应(P<0.001)。在所有处理中ORF20+AMF处理土壤氮素利用效率最高,农学效率(NAE)、氮肥偏生产力(PFP)、氮肥吸收利用率(NRE)、氮素生理利用率(NPE)较OF处理分别提高31.15%、28.08%、6.95%、10.41%。在氮循环微生物功能基因中,增施变形球囊霉处理组(ORF10+AMF、ORF20+AMF)NiR、narB、nasA、nirA、nirB、napA、nrfA、nifH、ureC基因相对强度显著高于对应未施菌处理组(ORF10、ORF20),ORF20+AMF处理的氨氧化基因hzo相对丰度比ORF20处理降低了20%,减少了氮素由N2释放途径损失的可能。【结论】增施变形球囊霉配施有机肥可显著调增同化氮还原基因(NiR、narB、nasA、nirA、nirB)、异化氮还原基因(napA、nrfA)、氮固定基因(nifH)、氨化作用基因(ureC)相对强度,降低硝化基因(hao)和氨氧化基因(hzo)相对丰度,驱动土壤氮素循环向植物氮高效利用的途径转化,提高氮肥农学效率(NAE)、氮肥偏生产力(PFP)、氮肥吸收利用率(NRE)和根系氮代谢酶活性,实现甜玉米化学氮肥减施增效的目标。

覆盖作物对猕猴桃园土壤氨氧化微生物丰度和群落结构的影响

[目的]果园行间播种覆盖作物有利于改善土壤理化性状,改变氮循环过程中的氨氧化微生物群落结构。因此,我们分析不同覆盖作物下猕猴桃园土壤氨氧化微生物的群落结构和基因丰度,以探究其与土壤硝化作用的关系。[方法]选择湖北十堰的一个5年生猕猴桃果园进行了种植多年生覆盖作物试验,供试覆盖作物有白三叶草(Trifolium repens L,W)、毛苕子(Vicia villosa Roth,V)、黑麦草(Lolium perenne L,R)和高羊茅(Festuca elata Keng ex E.Alexeev,F)。设置单种(W)、两种混种(WR)、3种混种(WRV)、4种混种(WRVF)和清耕对照(CK)共5种试验处理。在覆盖作物种植后的第2年,取0—20 cm土层样品,利用荧光定量PCR(fluorescence quantitative PCR)、限制性末端片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,TRFLP)以及克隆测序技术,测定了土壤中氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)与氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria,AOB)基因丰度、群落多样性及组成。[结果]4种覆盖作物处理的果园地上部生物量没有显著差异。除两种混种处理显著提高了土壤含水率、铵态氮和硝态氮含量和降低了土壤pH外,其他3个处理的土壤理化指标之间也没有显著差异。与清耕对照相比,单种处理的AOA-amoA基因丰度显著提高了2.85%,单种和两种混种处理的AOB-amoA基因丰度分别显著提高了4.95%、6.42%。不同T-RFs所代表的AOA在不同种植模式中所占比例发生变化,但AOA群落结构未发生明显改变;不同T-RFs所代表的AOB在不同种植模式下发生改变,其AOB群落结构可能发生变化。两种混种处理显著降低了AOA的多样性指数,两种混种和4种混种处理显著降低了AOA均匀度指数,而3种混种和4种混种处理显著提高了AOB的多样性指数。4个处理土壤中,AOA的优势菌属为Nitrososphaera(44.2%)和Nitrosotalea(45.8%),AOB的优势菌属为Nitrosospira(96.98%)和Nitrosomonas(3.02%)。Pearson相关分析和冗余(RDA)分析表明,土壤pH、含水率、铵态氮和硝态氮含量是影响氨氧化微生物群落结构及丰度的主要环境因子。[结论]土壤pH、含水率、铵态氮和硝态氮含量是影响氨氧化微生物群落结构及丰度的主要环境因子。白三叶草和黑麦草混种模式(WR处理)可显著提升土壤的水分含量、铵态氮和硝态氮含量,降低土壤pH,但是不同覆盖作物对土壤中AOA和AOB的群落结构尚未显现出显著影响。

典型加油站土壤中微生物丰度及群落多样性

包气带是泄漏油品进入地下水的通道,存在多种类型的微生物。研究油品泄漏场地包气带土壤中微生物丰度及群落多样性特征,可为加油站场地土壤和地下水的微生物修复提供理论依据。该研究基于土壤DNA提取,16S rDNA实时定量PCR(polymerase chain reaction)和克隆文库的构建,分析了加油站土壤中微生物丰度及群落结构特征。实时定量PCR结果表明,表层土壤微生物丰度高于深层土壤约2个数量级,未污染深层土壤中微生物丰度高于污染的深层土壤约2个数量级。RDP(ribosomal database project)分析结果表明,加油站场地表层土壤微生物种类较丰富,而深层土壤微生物组成较单一,且污染的深层土壤细菌群落多样性明显低于对照场地深层土壤。研究也发现,与汽油降解相关的微生物菌群Beta-proteobacteria是深层污染土壤的主导微生物。