天昊客戶新文：微生物群落隨亞熱帶水稻種植進(jìn)程中土壤肥力的增加而發(fā)生變化

發(fā)稿時(shí)間：2017-12-29來(lái)源：天昊生物

副標(biāo)題：Applied Soil Ecology：不同種植時(shí)間水稻土壤微生物群落的演替模式

 

中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所近期在《Applied Soil Ecology》上發(fā)表了微生物群落隨中國(guó)亞熱帶水稻種植過程中土壤肥力的增加而發(fā)生變化的文章。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：Shifts in microbial communities with increasing soil fertility across a chronosequence of paddy cultivation in subtropical China

中文題目：微生物群落隨著中國(guó)亞熱帶水稻種植進(jìn)程中土壤肥力的增加而發(fā)生變化

期刊名：Applied Soil Ecology       發(fā)表時(shí)間： 2017年    影響因子：2.786

研究背景: 

水稻土是人為的土壤，它是糧食生產(chǎn)的主要來(lái)源。在水稻耕作過程中，土壤肥力演變是指土壤向作物提供養(yǎng)分能力的變化。土壤肥力主要受植物和微生物的調(diào)控，反過來(lái)土壤性質(zhì)是微生物群落形成的主要因素。然而，在水稻土壤發(fā)育過程中養(yǎng)分積累與微生物群落演替之間的關(guān)系很難理清。影響微生物群落演替的因素很多，包括土壤養(yǎng)分、土壤類型、植被覆蓋度和管理。目前對(duì)長(zhǎng)期種植水稻土壤中控制微生物群落演替動(dòng)態(tài)的主要影響因素尚不清楚。不同的土壤類型微生物群落演替的機(jī)制可能不一致。因此，非常有必要充分了解在特定土壤類型中土壤肥力的演變規(guī)律，從而為水稻栽培提供指導(dǎo)。在中國(guó)亞熱帶，第四紀(jì)紅色粘土稻田土壤養(yǎng)分普遍不足，因此常常通過施肥來(lái)增加肥力。大多數(shù)研究報(bào)告了隨著水稻栽培時(shí)間的延長(zhǎng)土壤養(yǎng)分累積的作用，但只有少數(shù)評(píng)估了隨著時(shí)間變化微生物群落的演替模式。

研究目的: 

了解微生物群落的聚集和演替是揭示土壤肥力發(fā)展機(jī)制的關(guān)鍵。因此本文的目的是調(diào)查隨著中國(guó)亞熱帶水稻種植過程中土壤肥力增加微生物群落的演替模式。

研究假設(shè): 

假設(shè)土壤養(yǎng)分是隨著時(shí)間推移形成水稻微生物群落變化的主要因素，預(yù)計(jì)寡營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌類型將支配演替的最初階段（0-15年），并在后面的演替階段（30-100年）逐漸被營(yíng)養(yǎng)豐富型細(xì)菌所替代，并伴隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量（SOM）的提高。

研究對(duì)象：

共15個(gè)樣本：不同使用時(shí)間稻田（中國(guó)亞熱帶分別使用5、15、30、100年的水稻栽培土）和其相鄰貧瘠土地（使用0年），每個(gè)組別隨機(jī)選取三個(gè)田間小區(qū)，在每個(gè)田間小區(qū)隨機(jī)收集5個(gè)表層土壤（0-20厘米）樣本，去除根碎片后，每個(gè)樣本通過干冰運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)樣品一部分經(jīng)冷凍干燥存放在?80°C 用于PLFA和高通量測(cè)序分析，一部分保存在4°C用于酶活性和微生物量分析，室溫晾干的樣本則用于化學(xué)分析測(cè)定（pH、有機(jī)碳、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀）。

研究思路：

• 用養(yǎng)分含量對(duì)土壤肥力條件進(jìn)行量化：碳（C）、氮（N）、磷（P）和鉀（K）。
• 磷脂脂肪酸（PLFA）分析：用來(lái)評(píng)估隨著時(shí)間推移水稻土壤微生物群落的演替。
• 16S擴(kuò)增子測(cè)序：用來(lái)評(píng)估隨著時(shí)間推移水稻土壤微生物群落的演替。
• 酶活性分析：β-木糖苷酶（βx），β-葡萄糖苷酶（βG）、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）用來(lái)反映土壤有機(jī)質(zhì)分解的潛力。

測(cè)序技術(shù)：16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序（V4-V5），每個(gè)樣本獲得35680-84808個(gè)序列（平均每個(gè)樣本獲得54306條序列）

研究結(jié)果：

水稻土壤化學(xué)性質(zhì)隨土壤使用時(shí)間而變化

與貧瘠土壤相比，水稻土壤化學(xué)性質(zhì)增加。與貧瘠土壤相比，使用了5年的水稻土壤其pH值增加了0.3個(gè)單位，但在使用100年時(shí)略有下降，達(dá)到穩(wěn)定的5.09（表1）。大多數(shù)養(yǎng)分含量隨著水稻栽培時(shí)間推移而增加，而只有全鉀（TK）略有下降。與使用5年的水稻土壤相比，100年土壤速效碳（Available C）含量增加1.4倍，全氮和速效氮含量變化趨勢(shì)相同，分別增加了1.4倍和1.6倍。全磷和速效磷含量在5–30年略有下降，此后分別逐漸增加到0.95g kg ^?1和74.6mg kg ^?1。土壤有機(jī)碳/全氮（C/N）的比值在5年內(nèi)比貧瘠土地顯著增加了1倍，此后保持在同一水平上。有機(jī)碳/總磷（C/P）的比值在5年內(nèi)比貧瘠土地增加了1.5倍，并在30年時(shí)增加到37.7。

與貧瘠土壤相比，使用了5年的水稻土壤其β-木糖苷酶（βx），β-葡萄糖苷酶（βG）、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）增加了1.2–9.8倍，與使用了5年的水稻土壤相比，使用了30年的水稻土壤這些酶活指標(biāo)顯著增加了0.6-1.8倍。

表1：水稻土壤化學(xué)性質(zhì)隨土壤使用時(shí)間而變化

 

水稻土壤微生物群落隨土壤使用時(shí)間而變化

與貧瘠土壤相比，使用了5年的水稻土壤其磷脂脂肪酸（PLFA）總含量，放線菌（actinomycete）PLFA，真菌（fungal）PLFA和細(xì)菌（bacterial）PLFA增加了2.8–10.2倍（圖1）。與使用了5年的水稻土壤相比，使用了30年的水稻土壤這些酶活指標(biāo)顯著增加了0.9–1.5倍。與使用了30年的水稻土壤相比，使用了100年的水稻土壤真菌PLFA顯著減少了42%。與貧瘠土壤相比，使用了5年的水稻土壤真菌/細(xì)菌PLFA比值顯著下降了64%，因此，我們得出的結(jié)論是：真菌PLFA在貧瘠土壤上占主導(dǎo)地位，而細(xì)菌PLFA在使用后的土壤上占主導(dǎo)地位。

 

 

圖1  不同使用時(shí)間土壤中磷脂脂肪酸（PLFA）總含量、放線菌（actinomycete）PLFA，真菌（fungal）PLFA和細(xì)菌（bacterial）PLFA含量。

 

RDA分析顯示土壤有機(jī)碳/全氮（C/N）、速效磷（AP）和有機(jī)碳/全磷（C/P）是土壤微生物群落隨土壤使用時(shí)間推移而變化的主要因素（圖2）。

 

圖2  營(yíng)養(yǎng)成分和土壤PFLA的RDA分析。

土壤細(xì)菌α多態(tài)性隨使用時(shí)間而變化

與貧瘠土壤相比，使用了5年的水稻土壤微生物豐富度指數(shù)ACE和Chao1分別增加了76.8和75%，這兩個(gè)指數(shù)在15年內(nèi)略有下降，然后在使用100年時(shí)逐漸增加到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。Shannon指數(shù)在水稻種植開始5年內(nèi)明顯減少，在使用15年略有減少，此后在30年和100年逐漸增加到6.5穩(wěn)定的穩(wěn)定狀態(tài)（圖S1）。

 

圖S1  不同使用時(shí)間土壤樣本細(xì)菌α-多樣性

土壤細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育β多樣性隨使用時(shí)間而變化

PCA分析顯示不同使用時(shí)間的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有明顯差異（圖S2）。貧瘠土壤與使用后的水稻土壤分離明顯，使用5年和15年土壤樣本聚集在一起，但是與使用30年和100年的土壤樣本有明顯不同。

 

圖S2  不同使用時(shí)間土壤樣本PCA分析

 

綠彎菌門(Chloroflexi)（一類通過光合作用產(chǎn)生能量的細(xì)菌）比例在使用5和15年后略有上升，然后逐漸下降，在100年達(dá)到穩(wěn)定值（圖S3A）。變形桿菌門（Proteobacteria）， ignavibacteriae和Nitrospirae phylum的比例在使用后的土壤樣本中高于貧瘠土壤（圖3B，E和I）。酸桿菌（Acidobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、放線菌門（Actinobacteria）的比例在使用后的土壤樣本中低于貧瘠土壤（圖3SC，D，F和G）。

 

圖S3細(xì)菌類群在門水平的相對(duì)豐度（%）。

 

基于進(jìn)化β多樣性分析，樣本可分為三個(gè)階段：1）非水稻土壤，水稻；（2）水稻土壤（< 30年：包括5年和15年）；（3）水稻土壤（≥30年：包括30年和100年）。LEfSe分析結(jié)果表明綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門類群2（Acidobacteria-Gp2）是第一階段非水稻土壤類型的標(biāo)志菌；厭氧繩菌綱（Anaerolineaceae）是第二階段水稻土壤初期的的標(biāo)志菌；Ignavibacterium 是是第三階段水稻土壤中后期的標(biāo)志菌（圖S4）。

 

圖S4 不同階段水稻土壤樣本的物種LEfSe分析

土壤化學(xué)性質(zhì)與土壤微生物群落的關(guān)系

非水稻土壤細(xì)菌群落和水稻土壤細(xì)菌群落在RDA1軸可以分開(82.3%)，使用5年和15年的樣本聚集在RDA2軸正截面（11.1%），使用30年和100年的樣本聚集在RDA2軸負(fù)截面（11.1%）（圖3）。RDA分析顯示C/N、C/P、TP（總磷）、TK（總鉀）是土壤微生物群落隨土壤使用時(shí)間推移而變化的主要因素。

 

圖3  微生物群落與土壤營(yíng)養(yǎng)成分的RDA分析。

研究結(jié)論：

1. 使用后的水稻土壤酶活性和土壤有機(jī)碳、氮、磷含量顯著高于貧瘠土壤，且持續(xù)增加至少使用后的至少100年。

2. 土壤營(yíng)養(yǎng)狀況的改善使細(xì)菌比例逐漸高于真菌比例，并且快速增長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌逐漸取代緩慢生長(zhǎng)的寡營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌。具有多種代謝功能的Ignavibacterium 屬是水稻土壤中后期（≥30年：包括30年和100年）的標(biāo)志菌。

3. 細(xì)菌α多樣性的變化趨于穩(wěn)定，但水稻土壤使用30年后土壤物種豐富度繼續(xù)增加。

4. 細(xì)菌β多樣性分析表明，使用后的水稻土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與貧瘠土壤不同。使用5年和15年的樣本聚集群與使用30年和100年的樣本聚集群顯著不同。

5. RDA分析顯示C/N、C/P是影響土壤微生物群落更替的主要因素。

6. 總體結(jié)論：長(zhǎng)期的水稻種植導(dǎo)致土壤化學(xué)特性和微生物群落營(yíng)養(yǎng)模式的變化，從而對(duì)應(yīng)于土壤肥力的增加。