酸性旱地红壤无机氮同化菌株筛选及其全基因组分析

摘要

微生物执行的无机氮同化作用可固定施入土壤后未被作物直接吸收的化学氮肥,有效减少化学氮肥损失、降低环境氮素污染风险。土壤无机氮同化作用不是由大量冗余微生物共同执行的,而是由一小部分功能微生物优先执行。【目的】对酸性旱地红壤中的优势无机氮同化细菌进行富集、菌株分离鉴定及全基因组测序,并明确菌株在土壤中的氮同化能力,为酸性土壤化学氮肥应用及其转化过程研究提供菌株资源和理论依据。【方法】在酸性旱地红壤中添加KNO3或(NH4)2SO4作为无机氮源,以葡萄糖作为碳源,在好氧条件下进行富集预培养,采用稀释分离法筛选出优势无机氮同化细菌菌株;将菌株回接至土壤中从而验证其无机氮同化能力,并通过全基因组测序分析菌株的氮素代谢途径及相关功能基因。【结果】酸性旱地红壤经富集预培养一周后,优势无机氮同化微生物的16S rRNA基因相对丰度从0.20%–0.94%增长至20.2%–30.2%;分离筛选后得到的3株优势无机氮同化细菌菌株,鉴定为伯克霍尔德氏菌(Burkholderia sp.)M6-3、索状芽孢杆菌(Bacillus funiculus)M2-4和节杆菌(Arthrobacter sp.)M7-15。灭菌土壤中菌株M6-3、M2-4和M7-15的无机氮同化速率分别为(1.28±0.61)、(0.17±0.07)和(0.16±0.02)mg/(kg·d)。氮素代谢通路分析显示,菌株M6-3具备更高效的氮同化代谢通路,其氮同化相关功能基因数量显著高于其他2株细菌。氮素代谢通路与功能活性结果均显示菌株Burkholderia sp.M6-3在酸性旱地红壤无机氮同化过程中占据优势。【结论】本研究证实在酸性旱地红壤无机氮同化过程中低丰度微生物类群发挥重要功能,并从菌株基因组水平上揭示了其无机氮同化代谢过程。上述结果可为酸性旱地红壤农业利用过程中化学氮肥应用及其转化过程研究提供菌株资源和理论依据。