长期不同施肥对玉米根际微生物多样性及功能菌群的影响

摘要

土壤微生物作为农田生态系统的重要组成部分，对土壤肥力的发挥及生态系统稳定的维持具有重要作用。土壤中微生物的种群结构、功能多样性受土地利用、耕作、施肥等因素的影响，施肥是关键的影响因素之一。近年来长期施肥对土壤微生物群落结构和养分循环功能基因的影响备受关注，但其之间存在的潜在关系尚不明确。为了明确不同施肥下土壤微生物的变化规律及其相互关系，本文借助黑土长期定位施肥试验的平台，以不同施肥处理玉米根际土壤为研究对象，通过常规分析、Illumina MiSeq平台的16S rDNA和ITS rDNA高通量测序技术及Real-time PCR技术等现代分子生物学研究方法，对不同施肥处理下玉米产量、玉米根际土壤养分、真菌群落多样性、细菌群落多样性及碳氮循环和溶磷菌功能菌群丰度进行分析研究，探讨施肥处理-土壤养分-玉米产量及土壤细菌真菌丰度组成-功能菌群丰度之间相关性，旨在揭示东北黑土长期不同施肥条件下玉米根际土壤微生物群落结构特征和组成差异以及养分循环功能基因丰度差异，以期为合理施肥、构建良好的土壤生态环境提供理论依据。研究结果表明： （1）长期不同施肥对土壤养分影响显著，肥料的施用增加了土壤有机质（SOM）和全氮（T-N）含量，特别是添加玉米秸秆的处理，然而含水量（MC）和全磷全钾（T-P, T-K）在各处理间差别并不明显。长期施用氮肥明显降低了土壤 pH，使土壤酸化，但可以增加玉米容重，百粒重及玉米产量（P<0.05），玉米产量增加幅度平均为63.23%，因此我们可以认为氮肥是影响玉米产量的重要因素。 （2）长期施肥明显降低了土壤真菌丰度和均匀度，在所有施肥处理中土壤真菌优势菌群门水平丰度类似，主要是子囊菌门 (Ascomycota)，担子菌门 (Basidiomycota)、接合菌门 (Zygomycota)、球囊菌门 (Glomeromycota) 和壶菌门 (Chytridiomycota)，但在每个施肥处理下门水平物种丰度之间存在明显差异，在氮磷钾配施高量秸秆（NPK+S0.5）处理中，子囊菌门高达70.35%。在已知的109个真菌属中Humicola、Fusarium、Verticillium、Mortierella为优势菌属，并同属与一个分支聚类。多样性指数及矩阵热图分析可知，氮肥的施用使真菌群落组成存在明显差异;冗余分析（Rcdundancy analysis, RDA）中，土壤pH、土壤全量氮磷钾 (T-N, T-P, T-K)、有效磷钾 (A-P, A-K) 和铵态氮 (NH4+-N) 养分含量是影响着土壤真菌群落结构格局的重要环境因素。 （3）土壤细菌测序分析表明，共检测出8621个OUT序列（在97%的相似度），相关分析表明，OTU丰度与土壤pH值呈显著正相关;细菌门水平相对丰度最多的是酸杆菌门（Acidobacteria），平均占总序列的 33.2％，其次是变形杆菌门（Proteobacteria），拟杆菌门（Bacteroidetes），厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria），不同处理间存在明显差异，施用氮肥处理的酸杆菌门丰度明显低于未施用氮肥处理;在检测出的329个细菌属中，Acidobacteria-Gp6, Acidobacteria-Gp4和Alistipes细菌属为优势菌属。多样性指数和非度量多为尺度分析（Non-metric multidimensional scaling，NMDS）表明，添加氮肥可以增加土壤细菌群落多样性;RDA分析中，土壤pH值与群落组成相关性最高，土壤有机碳（TOC）和土壤全氮（T-N）也与细菌群落组成有较高的相关性（P<0.05）。 （4）不同施肥处理下土壤根际微生物功能基因丰度存在一定差异。长期添加秸秆施肥处理的氨氧化古菌（AOA）丰度明显少于无秸秆添加处理（P<0.05），长期不施氮肥处理的氨氧化细菌（AOB）丰度小于添加氮肥处理（P<0.05），固氮菌（nifH）丰度在未施用氮肥处理下无显著差异（P>0.05），在添加高量秸秆处理中的反硝化细菌（nosZ）基因丰度低于添加低量秸秆处理，且AOA和nosZ均与土壤土壤有机碳（TOC）和全氮（T-N）呈显著负相关（P<0.05）;固碳菌（cbbL）丰度在各处理间无显著差异，但未添加秸秆处理均小于添加秸秆处理，cbbL 基因丰度与土壤 pH 值和有机碳（TOC）值呈显著正相关（P<0.05），磷酸盐溶解功能基因Gdh3丰度在未添加磷肥的处理中较少，并且Gdh3功能基因丰度与土壤速效磷（A-P）和全磷（T-P）呈正相关（P<0.05）。

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