论文部分内容阅读
长期以来我国粮食生产依靠大量的化肥投入，化肥的大量施用、肥料利用率低下造成了一系列的环境问题。微生物是土壤-作物系统氮磷转化的驱动力，细菌和丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）的氮磷转化功能受其相互作用关系影响，研究细菌和AMF互作关系及氮磷转化功能对提高农田生态系统氮磷利用率、减少化肥过量使用带来的环境负面效应具有重要的意义。本研究基于三种典型农田土壤（黑土、潮土和红壤）的田间微区试验，利用Illumina扩增子测序和宏基因组测序技术，结合生态统计学方法，研究:(1)根际细菌与AMF群落组成及其主要影响因素;(2)根际微生物群落的互作关系及氮磷转化关键类群的分子生态网络作用;(3)关键微生物类群氮磷转化的功能基因组学机制。主要结果如下: 16S rDNA和AMF SSU rDNA扩增子测序结果分别显示变形菌(Proteobacteria)、放线菌(Actinobacteria)和酸杆菌(Acidobacteria)为根际细菌优势菌群，球囊霉属（Glomus）和类球囊霉属（Paraglomus）为AMF优势菌属。黑土、潮土和红壤中细菌和AMF群落组成结构差异明显，已确定因素中，土壤类型是决定土壤细菌和AMF群落组成的首要因素，土壤pH和养分含量对其影响显著，非参数多元方差分析显示土壤类型对细菌群落分异的解释量高达54.04％。 基于高通量测序数据的分子生态学网络分析显示不同土壤中细菌与AMF群落互作关系差异明显，在黑土中物种间互作最为密切，各土壤中根际细菌和AMF群落均以正相互作用关系为主。细菌和AMF群落中优势OTUs(相对丰度大于0.1％)与氮磷利用率的相关性分析表明，与氮磷利用显著相关的关键微生物类群主要属于球囊霉菌（Glomus）、放线菌(Actinobacteria)和α变形菌（Alphaproteobacteria）。关键微生物类群在不同土壤类型的分子生态网络中承担的作用各异，关键类群在红壤的微生物群落互作关系中出现最多，其中球囊霉菌与各菌属的相互作用最密切;而放线菌则在黑土中与各菌属的联系最密切。 宏基因组测序分析和基于16S rDNA测序的功能预测结果显示不同类型土壤微生物功能差异明显，注释到碳水化合物代谢(Carbohydrate metabolism)和氨基酸代谢(Amino acid metabolism)的基因比例最高。在土壤氮转化方面，参与有机氮矿化的尿素酶基因ureC和葡萄糖脱氢酶基因gdh、硝化作用的亚硝酸氧化还原酶基因nxrA、反硝化作用的硝酸还原酶基因narG和亚硝酸还原酶基因nirK的丰度较高。催化有机磷矿化的碱性磷酸酶KO01113(phoD)基因数目和丰度均显著高于酸性磷酸酶KO01078(PHO)基因。与磷素利用显著相关的关键类群类诺卡菌（Nocardioides sp.）和鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas sp.）中含有丰富的碱性磷酸酶基因KO01113(phoD)，且在红壤微生物分子生态网络中具有高连接度的关键类群类诺卡菌（Nocardioides sp.），其phoD基因在红壤中丰度也最高。