新年開篇：氮處理后土壤-微生物-植物系統(tǒng)的綜合響應(yīng)

發(fā)稿時(shí)間：2018-01-09來源：天昊生物

 

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)凌寧教授課題組關(guān)于氮處理后叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）多樣性和群落結(jié)構(gòu)對(duì)小麥產(chǎn)量綜合影響的研究在《Agriculture, Ecosystems and Environment》期刊上發(fā)表。在這項(xiàng)研究中天昊生物有幸承擔(dān)了樣品的擴(kuò)增子測(cè)序工作。在恭喜客戶又發(fā)表文章同時(shí)，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(yíng)養(yǎng)元素，在陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)產(chǎn)量中起著很重要的作用，了解氮添加如何對(duì)地上部和地下生物產(chǎn)生影響是至關(guān)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(diào)節(jié)作用。然而，在農(nóng)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(diào)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(jié)構(gòu)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(chǎn)量。

研究對(duì)象：

實(shí)驗(yàn)田每年實(shí)行冬小麥-夏水稻輪作，在2010年開始實(shí)驗(yàn)，包括5個(gè)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(gè)氮處理應(yīng)用于3塊地（每塊地=10×4米）作為3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。土壤樣品在2015年5月收獲小麥時(shí)獲取。在每塊地0～20 cm土壤耕層中隨機(jī)采集6份土壤樣品，每塊地所有的土壤樣品通過2毫米網(wǎng)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(jī)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(cè)；第二份樣本經(jīng)過空氣干燥，用于土壤有機(jī)碳（SOC）、總氮（TN）和pH值測(cè)量；第三份樣本保存在-80°C，用于分子分析。

測(cè)序技術(shù)：AMF擴(kuò)增子測(cè)序（AMV4.5NF/AMDGR），共獲得1,030,007條優(yōu)化序列; nifH擴(kuò)增子測(cè)序（PolF/ PolR），共獲得417,897條優(yōu)化序列

數(shù)據(jù)庫(kù)：MaarjAM（AMF）；FunGene（nifH）

研究結(jié)果：

不同氮肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)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(jī)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(shí)（N0，N50）較高（表1）。

表1：不同施氮處理樣本中土壤理化性質(zhì)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(yīng)

叢枝菌根真菌（AMF）的Chao1指數(shù)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(shù)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(shù)（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(jié)構(gòu)的響應(yīng)

PCA分析顯示叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）菌落結(jié)構(gòu)根據(jù)不同濃度施氮處理而明顯分開（圖2a和b）。Mantel檢驗(yàn)顯示氮濃度顯著影響叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）群落結(jié)構(gòu)(圖2c)。有趣的是：不同施氮處理后AMF的群落結(jié)構(gòu)與nifH的群落結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)高度相似，高氮處理（N200和N300）也得到類似的結(jié)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)PCA分析，AMF和nifH群落結(jié)構(gòu)與不同氮肥處理濃度之間的Mantel檢驗(yàn)（c）

RDA分析揭示了土壤理化性質(zhì)與AMF（圖3a）和nifH（圖3b）群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。其中，土壤微生物生物量碳（MBC）與AMF和nifH群落結(jié)構(gòu)都顯著相關(guān)。另外土壤微生物生物量氮（MBN）和硝態(tài)氮（NO 3^?）與AMF群落結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。而溶解有機(jī)碳（DOC）只與nifH群落結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。

 

圖3 土壤理化性質(zhì)與AMF（圖3a）和nifH（圖3b）群落結(jié)構(gòu)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(jié)果，把樣本分為兩組：低氮處理和高氮處理，用于網(wǎng)絡(luò)分析。網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)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(wǎng)絡(luò)有147個(gè)節(jié)點(diǎn)和187個(gè)邊緣，有17個(gè)模塊。對(duì)于高氮處理，網(wǎng)絡(luò)有142個(gè)節(jié)點(diǎn)和191個(gè)邊緣，有20個(gè)模塊。定義有七個(gè)以上邊緣的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)中心，在低氮和高氮處理組分別有16個(gè)和23個(gè)的活性網(wǎng)絡(luò)中心，在低氮網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)了3個(gè)AMF物種和13個(gè)nifH菌種，在高氮網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)了2個(gè)AMF物種和21個(gè)nifH菌種。

 

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

低氮處理組的AMF網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)量多于高氮處理組，只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)（AMF-3）是兩組所共有的。此外，雖然低氮處理組的AMF網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)量多于高氮處理組，但是所有AMF網(wǎng)絡(luò)中心分類學(xué)上屬于同一個(gè)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(wǎng)絡(luò)中心數(shù)量少于高氮處理組（圖4），在門水平，低氮處理組有11個(gè)活性nifH網(wǎng)絡(luò)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(gè)活性nifH網(wǎng)絡(luò)中心，屬于Verrucomicrobia, Proteobacteria, Spirochaetes, Chloroflexi（綠彎菌門）。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(yīng)

采用結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）研究整個(gè)土壤-微生物-植物系統(tǒng)的綜合反應(yīng)，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(yīng)。

氮處理對(duì)AMF多樣性(λ = ?0.99)和群落結(jié)構(gòu)(λ = 0.79)有明顯的直接效果。另外，氮處理對(duì)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(jié)構(gòu)(λ = ?0.49)。然而，氮處理僅僅能顯著影響nifH多樣性（λ= 0.43），對(duì)nifH群落結(jié)構(gòu)并沒有顯著直接影響(λ = 0.16)，然而，nifH群落結(jié)構(gòu)是由氮處理間接調(diào)節(jié)，由CUE: NUE ratio直接調(diào)節(jié)（?λ= 0.37）。此外，AMF多樣性與nifH多樣性顯著相關(guān)，AMF群落結(jié)構(gòu)與nifH群落結(jié)構(gòu)也顯著相關(guān)。

最后，小麥產(chǎn)量受氮處理（λ= 0.96）和AMF群落結(jié)構(gòu)（?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(jié)構(gòu)對(duì)小麥產(chǎn)量沒有顯著的直接影響，但是它們可以通過與AMF群落結(jié)構(gòu)的交互作用間接影響小麥產(chǎn)量。此外，硝態(tài)氮（NO 3^?）和CUE: NUE ratio可以通過直接調(diào)節(jié)AMF群落結(jié)構(gòu)來間接影響小麥產(chǎn)量。

 

研究總結(jié)：

• 在這項(xiàng)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(guān)鍵功能微生物，用來調(diào)查氮素梯度施加過程中微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)對(duì)小麥產(chǎn)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(jié)構(gòu)。
• 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(jié)構(gòu)方程模型分析表明，AMF群落結(jié)構(gòu)直接影響小麥產(chǎn)量，但是，小麥產(chǎn)量同時(shí)受到AMF多樣性、nifH多樣性和nifH群落結(jié)構(gòu)的間接影響。
• 叢枝菌根真菌（AMF）和固氮菌（nifH）對(duì)小麥產(chǎn)量的綜合影響說明了土壤功能微生物作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和植物生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因子的重要性。這些結(jié)果有助于了解土壤養(yǎng)分循環(huán)，對(duì)于系統(tǒng)了解氮添加、微生物和小麥產(chǎn)量三者的相互作用機(jī)理也有很大幫助。