新年開篇：氮處理后土壤-微生物-植物系統(tǒng)的綜合響應

發(fā)稿時間：2018-01-09來源：天昊生物

 

南京農業(yè)大學凌寧教授課題組關于氮處理后叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）多樣性和群落結構對小麥產量綜合影響的研究在《Agriculture, Ecosystems and Environment》期刊上發(fā)表。在這項研究中天昊生物有幸承擔了樣品的擴增子測序工作。在恭喜客戶又發(fā)表文章同時，我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目：N-fertilizer-driven association between the arbuscular mycorrhizal fungal community and diazotrophic community impacts wheat yield

期刊名：Agriculture, Ecosystems and Environment        

影響因子：4.099

研究背景: 

 氮是一種營養(yǎng)元素，在陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級產量中起著很重要的作用，了解氮添加如何對地上部和地下生物產生影響是至關重要的。叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）都能夠幫助植物獲取氮，叢枝菌根菌和固氮菌的相互作用在土壤氮循環(huán)中也可能起著重要的調節(jié)作用。然而，在農田生態(tài)系統(tǒng)中添加氮后，這這兩種土壤功能微生物發(fā)生什么變化以及它們之間如何相互作用目前還不清楚。

研究目的: 

1） 用來調查氮素梯度施加過程中叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）微生物多樣性和群落結構的變化。

2） 了解叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）這兩種土壤功能微生物如何相互作用來影響小麥的產量。

研究對象：

實驗田每年實行冬小麥-夏水稻輪作，在2010年開始實驗，包括5個不同濃度氮處理：0、50、100、200、300 kg N ha ^?1，定義為N0、N50、N100、N200和N300。每個氮處理應用于3塊地（每塊地=10×4米）作為3個生物學重復。土壤樣品在2015年5月收獲小麥時獲取。在每塊地0～20 cm土壤耕層中隨機采集6份土壤樣品，每塊地所有的土壤樣品通過2毫米網篩去除根等雜物，徹底混勻，然后分為三份：第一份樣本保存在4°C，用于土壤水分，溶解有機碳（DOC），銨（NH 4 ⁺），硝態(tài)氮（NO 3^?），土壤微生物生物量碳（MBC）和土壤微生物生物量氮（MBN）檢測；第二份樣本經過空氣干燥，用于土壤有機碳（SOC）、總氮（TN）和pH值測量；第三份樣本保存在-80°C，用于分子分析。

測序技術：AMF擴增子測序（AMV4.5NF/AMDGR），共獲得1,030,007條優(yōu)化序列; nifH擴增子測序（PolF/ PolR），共獲得417,897條優(yōu)化序列

數據庫：MaarjAM（AMF）；FunGene（nifH）

研究結果：

不同氮肥處理對土壤理化性質及微生物量的影響

土壤pH值在不同氮肥處理樣本間略有差異。硝態(tài)氮（NO 3^?）和溶解有機碳（DOC）隨著氮肥濃度增加而增加。銨（NH 4 ⁺），土壤微生物生物量碳（MBC）和土壤微生物生物量氮（MBN）則隨著氮肥濃度增加而降低。MBC和MBN在低氮濃度處理時（N0，N50）較高（表1）。

表1：不同施氮處理樣本中土壤理化性質和微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）含量

 

不同施氮處理組叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）多樣性的響應

叢枝菌根真菌（AMF）的Chao1指數和系統(tǒng)發(fā)育多樣性隨著氮肥濃度增加而顯著降低，在N200處理組顯著較少（圖1）。固氮菌（nifH）的系統(tǒng)發(fā)育多樣性隨著氮肥濃度增加而顯著增加，而Chao1指數在不同濃度氮處理組沒有顯著差異。

 

圖1  不同施氮處理組叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）的Chao1指數（a, b）和系統(tǒng)發(fā)育多樣性（c, d）

不同施氮處理組叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）群落結構的響應

PCA分析顯示叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）菌落結構根據不同濃度施氮處理而明顯分開（圖2a和b）。Mantel檢驗顯示氮濃度顯著影響叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）群落結構(圖2c)。有趣的是：不同施氮處理后AMF的群落結構與nifH的群落結構非常相似 (圖2c)。通過PCA分析，低氮處理（N0和N50）下，AMF和nifH群落結構高度相似，高氮處理（N200和N300）也得到類似的結果，因此把樣本分為兩組：低氮處理（N0和N50）和高氮處理（N200和N300），用于后續(xù)的網絡分析。

 

圖2  不同施氮處理組叢枝菌根真菌（AMF）（a）和固氮菌（nifH）（b）群落結構PCA分析，AMF和nifH群落結構與不同氮肥處理濃度之間的Mantel檢驗（c）

RDA分析揭示了土壤理化性質與AMF（圖3a）和nifH（圖3b）群落結構之間的關系。其中，土壤微生物生物量碳（MBC）與AMF和nifH群落結構都顯著相關。另外土壤微生物生物量氮（MBN）和硝態(tài)氮（NO 3^?）與AMF群落結構顯著相關。而溶解有機碳（DOC）只與nifH群落結構顯著相關。

 

圖3 土壤理化性質與AMF（圖3a）和nifH（圖3b）群落結構之間的RDA分析

低氮和高氮處理組AMF和nifH群落之間的 co-occurrence

基于上述結果，把樣本分為兩組：低氮處理和高氮處理，用于網絡分析。網絡分析結果表明，低氮處理與高氮處理有顯著差異（圖4）。在低氮處理中，網絡有147個節(jié)點和187個邊緣，有17個模塊。對于高氮處理，網絡有142個節(jié)點和191個邊緣，有20個模塊。定義有七個以上邊緣的節(jié)點為網絡中心，在低氮和高氮處理組分別有16個和23個的活性網絡中心，在低氮網絡中發(fā)現了3個AMF物種和13個nifH菌種，在高氮網絡中發(fā)現了2個AMF物種和21個nifH菌種。

 

圖4 基于Spearman相關性的低氮和高氮處理組網絡分析。不同的顏色邊緣屬于不同的模塊。綠色節(jié)點顯示屬于nifH的OTUs。黃色節(jié)點顯示屬于AMF的OTUs。

低氮處理組的AMF網絡中心數量多于高氮處理組，只有一個節(jié)點（AMF-3）是兩組所共有的。此外，雖然低氮處理組的AMF網絡中心數量多于高氮處理組，但是所有AMF網絡中心分類學上屬于同一個科，在屬水平，AMF-3和AMF-11屬于Diversispora，AMF-15和AMF-17屬于Glomus（球囊霉屬）（圖5a）。

 

圖5a  活性AMF OTUs系統(tǒng)發(fā)育樹。

與AMF相反，低氮處理組的nifH網絡中心數量少于高氮處理組（圖4），在門水平，低氮處理組有11個活性nifH網絡中心，屬于Verrucomicrobia（疣微菌門）, Proteobacteria（變形菌門），Spirochaetes（螺旋體門）。高氮處理組有21個活性nifH網絡中心，屬于Verrucomicrobia, Proteobacteria, Spirochaetes, Chloroflexi（綠彎菌門）。兩個節(jié)點，nifH-39 和nifH-68是兩組所共有的，分別屬于Bradyrhizobium（根瘤菌屬）和Treponema（密螺旋體屬）（圖5b）。

 

圖5b  活性nifH OTUs系統(tǒng)發(fā)育樹。

土壤-微生物-植物系統(tǒng)的綜合響應

采用結構方程模型（SEM）研究整個土壤-微生物-植物系統(tǒng)的綜合反應，從而揭示在氮處理后土壤，AMF菌，nifH菌，以及植物全面詳盡的反應。

氮處理對AMF多樣性(λ = ?0.99)和群落結構(λ = 0.79)有明顯的直接效果。另外，氮處理對硝態(tài)氮（NO 3^?）含量最初有明顯的直接效果(λ = 0.57)，接著通過增加硝態(tài)氮（NO 3^?）含量間接影響AMF多樣性(λ = 0.77)和群落結構(λ = ?0.49)。然而，氮處理僅僅能顯著影響nifH多樣性（λ= 0.43），對nifH群落結構并沒有顯著直接影響(λ = 0.16)，然而，nifH群落結構是由氮處理間接調節(jié)，由CUE: NUE ratio直接調節(jié)（?λ= 0.37）。此外，AMF多樣性與nifH多樣性顯著相關，AMF群落結構與nifH群落結構也顯著相關。

最后，小麥產量受氮處理（λ= 0.96）和AMF群落結構（?λ= 0.60）顯著而直接的影響。雖然AMF多樣性，nifH多樣性和nifH群落結構對小麥產量沒有顯著的直接影響，但是它們可以通過與AMF群落結構的交互作用間接影響小麥產量。此外，硝態(tài)氮（NO 3^?）和CUE: NUE ratio可以通過直接調節(jié)AMF群落結構來間接影響小麥產量。

 

研究總結：

• 在這項研究中，叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）被選定為小麥土壤中的兩種關鍵功能微生物，用來調查氮素梯度施加過程中微生物多樣性和群落結構對小麥產量的綜合影響。
• 氮處理顯著改變了AMF和nifH的系統(tǒng)發(fā)育多樣性和群落結構。
• 與低氮處理的土壤相比，高氮處理土壤中AMF和nifH之間的相互作用減少。
• 結構方程模型分析表明，AMF群落結構直接影響小麥產量，但是，小麥產量同時受到AMF多樣性、nifH多樣性和nifH群落結構的間接影響。
• 叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）對小麥產量的綜合影響說明了土壤功能微生物作為農田生態(tài)系統(tǒng)和植物生長驅動因子的重要性。這些結果有助于了解土壤養(yǎng)分循環(huán)，對于系統(tǒng)了解氮添加、微生物和小麥產量三者的相互作用機理也有很大幫助。