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

發(fā)稿時間：2017-12-29來源：天昊生物

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

 

中國科學(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。在這項研究中天昊生物有幸承擔(dān)了樣品的擴增子測序工作。在恭喜客戶又發(fā)表文章同時，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亞熱帶水稻種植進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。目前對長期種植水稻土壤中控制微生物群落演替動態(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增加肥力。大多數(shù)研究報告了隨著水稻栽培時間的延長土壤養(yǎng)分累積的作用，但只有少數(shù)評估了隨著時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)展機制的關(guān)鍵。因此本文的目的是調(diào)查隨著中國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)分是隨著時間推移形成水稻微生物群落變化的主要因素，預(yù)計寡營養(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）逐漸被營養(yǎng)豐富型細(xì)菌所替代，并伴隨著土壤有機質(zhì)含量（SOM）的提高。

研究對象：

共15個樣本：不同使用時間稻田（中國亞熱帶分別使用5、15、30、100年的水稻栽培土）和其相鄰貧瘠土地（使用0年），每個組別隨機選取三個田間小區(qū)，在每個田間小區(qū)隨機收集5個表層土壤（0-20厘米）樣本，去除根碎片后，每個樣本通過干冰運送到實驗室，每個樣品一部分經(jīng)冷凍干燥存放在?80°C 用于PLFA和高通量測序分析，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)分析測定（pH、有機碳、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀）。

研究思路：

• 用養(yǎng)分含量對土壤肥力條件進行量化：碳（C）、氮（N）、磷（P）和鉀（K）。
• 磷脂脂肪酸（PLFA）分析：用來評估隨著時間推移水稻土壤微生物群落的演替。
• 16S擴增子測序：用來評估隨著時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）用來反映土壤有機質(zhì)分解的潛力。

測序技術(shù)：16S rRNA擴增子測序（V4-V5），每個樣本獲得35680-84808個序列（平均每個樣本獲得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個單位，但在使用100年時略有下降，達到穩(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)隨土壤使用時間而變化

 

水稻土壤微生物群落隨土壤使用時間而變化

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

 

圖2  營養(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%，這兩個指數(shù)在15年內(nèi)略有下降，然后在使用100年時逐漸增加到一個穩(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多樣性隨使用時間而變化

PCA分析顯示不同使用時間的土壤細(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豐度（%）。

 

基于進化β多樣性分析，樣本可分為三個階段：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間推移而變化的主要因素。

 

圖3  微生物群落與土壤營養(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，并且快速增長的營養(yǎng)型細(xì)菌逐漸取代緩慢生長的寡營養(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：長期的水稻種植導(dǎo)致土壤化學(xué)特性和微生物群落營養(yǎng)模式的變化，從而對應(yīng)于土壤肥力的增加。