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研究揭示長(zhǎng)期施肥抑制根際微生物固氮的作用機(jī)制

作者:宋檢 時(shí)間:2022-12-12 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

生物固氮是地球上*重要的生態(tài)過(guò)程之一,在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,作物總生物量中大約24%的氮來(lái)源于微生物的非共生固氮過(guò)程。根際是農(nóng)田土壤中微生物*為活躍的區(qū)域,根際中固氮微生物群落與作物的生長(zhǎng)息息相關(guān)。然而,長(zhǎng)期以來(lái),大量化肥及有機(jī)物料的投入大大降低了農(nóng)田土壤微生物的固氮作用。近年來(lái),土壤固氮功能微生物的研究主要集中在固氮菌群落及其影響因素,然而,對(duì)長(zhǎng)期施肥抑制根際微生物固氮的作用機(jī)制鮮有研究。*近,中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所研究員褚海燕課題組基于安徽蒙城35年長(zhǎng)期定位施肥實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(設(shè)置不施肥、單施NPK肥、NPK+秸稈、NPK+豬糞、NPK+牛糞等五種不同處理),利用高通量測(cè)序與ARA固氮活性測(cè)定技術(shù),研究了長(zhǎng)期不同施肥管理對(duì)小麥根際固氮活性及其相關(guān)功能微生物的影響機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期的不同施肥管理均大幅度降低了根際與非根際土壤的固氮活性(50%)。通過(guò)共存關(guān)系網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)森林模型分析,識(shí)別了與固氮活性*密切相關(guān)的關(guān)鍵微生物集群,其主要由寡營(yíng)養(yǎng)型的地桿菌(Geobacter spp)占優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)分析發(fā)現(xiàn)這些關(guān)鍵固氮微生物菌群在長(zhǎng)期不施肥的環(huán)境下是系統(tǒng)發(fā)育聚集的,而施肥導(dǎo)致其系統(tǒng)發(fā)育呈現(xiàn)隨機(jī)性狀態(tài),表明長(zhǎng)期施肥管理下的土壤環(huán)境已不能主動(dòng)選擇與固氮活性密切相關(guān)的關(guān)鍵固氮菌群,由此造成土壤固氮功能的不可逆丟失。進(jìn)一步通過(guò)結(jié)構(gòu)方程模型解析長(zhǎng)期不同施肥影響固氮活性的機(jī)制:施肥既能直接影響土壤固氮活性,也能通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)與固氮菌群落間接影響土壤固氮活性;其中,根際效應(yīng)的負(fù)反饋?zhàn)饔迷斐闪烁H固氮活性的進(jìn)一步降低。該研究耦合根際土壤固氮過(guò)程與關(guān)鍵固氮菌集群,從系統(tǒng)發(fā)育機(jī)制上解析了長(zhǎng)期施肥抑制根際特定固氮菌集群的生長(zhǎng)與功能,為集約化農(nóng)業(yè)背景下土壤生物多樣性保護(hù)及生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮提供科學(xué)依據(jù)。研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊Microbiome上,博士生范坤坤為論文**作者,研究員褚海燕為論文通訊作者。

該研究得到西班牙阿利坎特大學(xué)、安徽省農(nóng)科院土壤肥料研究所、中科院城市環(huán)境研究所的合作,以及國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“土壤—微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”的資助。同時(shí),在中科院南京分院“科學(xué)探究活動(dòng)”項(xiàng)目的支持下南京師范大學(xué)附屬中學(xué)三位同學(xué)也參與了部分工作。

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