近日，来自西北农林科技大学的牛文全教授和鲁东大学的张振华教授课题组研究人员，联合中国科学院水利部水土保持研究所和西澳大学等多个单位，在国际农林科学领域一区Top杂志《Agricultural Water Management》上成功发表研究论文。该研究利用天昊生物细菌16S和真菌ITS扩增子测序等技术，深入探讨了加气滴灌(ADI)技术应用对土壤细菌和真菌群落多样性组成及养分影响的潜在机制。

英文题目：Distinct roles for soil bacterial and fungal communities associated with the availability of carbon and phosphorus under aerated drip irrigation

中文题目：加气滴灌下土壤细菌和真菌群落与碳磷可用性相关的不同作用

期刊名称：Agricultural Water Management

发表日期：2022年9月

影响因子：6.611 (一区Top)

背景简介

由于集约耕作、短期轮作和机械耕作，番茄种植易受根际低氧胁迫的影响，会降低土壤质量和作物产量。增加根际通气可以提高土壤肥力，加气滴灌(ADI)是一种使用微气泡将增氧水输送到植物根部区域的技术，提高了通气性和土壤氧浓度。此外，ADI可以增加土壤养分，包括土壤总有机碳、总氮、总磷和有效土壤养分(碱解氮、有效磷、有效钾)。然而，很少有研究调查ADI对土壤微生物群落的影响。

微生物在调节生态系统功能和土壤生物中起着至关重要的作用，它们对周围环境的变化很敏感，微生物群落的多样性和组成受氧含量影响。作为土壤微生物的重要组成部分，细菌和真菌在土壤功能中扮演不同的角色。细菌与有机碳转化过程相关，而真菌则参与分解矿物组分。细菌和真菌对土壤的养分周转和能量流动也有不同的贡献，影响其速率和稳定性。ADI增加了土壤有机碳(SOC)和有效磷(AP)含量，但在同样的氧环境下，细菌和真菌对ADI的反应可能不同。因此，有必要同时调查细菌和真菌群落的变化，以了解ADI应用如何影响SOC和AP的变化。

这项研究旨在(1)确定细菌和真菌群落多样性的程度、分类组成和ADI应用的网络转移；(2)确定解释微生物对ADI应用的功能反应的可能机制；(3)评估ADI应用对土壤细菌和真菌群落及养分有效性联系的影响。

研究方法

本研究在山东寿光光温室中对番茄植株进行了田间试验。实验设计三种加气处理：10、15和20 mg/L溶解氧，命名为A1、A2和A3。对照处理(CK)仅用不含气的地下水(5 mg/L)灌溉。每个处理有三个重复。待番茄收获期间，采集了0-40cm深度的根际土壤，一部分液氮冷冻后，放-80℃保存，用于DNA提取和16S（V4-V5）及ITS1(ITS1-ITS2)扩增子测序。另一部分室温保存，进行土壤化学性质分析。

研究结果

土壤细菌和真菌群落的多样性分析

对土壤的细菌16S和真菌ITS扩增子测序后发现，ADI处理没有显著影响细菌群落的多样性(Chao1、ACE和Shannon指数)。相比之下，ADI处理后，土壤中真菌群落多样性显著高于CK(图1)。

图1、不同处理土壤细菌和真菌多样性的测定。

PCoA结果揭示了4组之间不同的细菌和真菌群落(图2)。第一个轴分别解释了细菌和真菌群落组成变异的30.29%和33.24%。Adonis检验发现CK和ADI处理组间产生分离，表明ADI显著影响细菌和真菌群落。对于细菌来说，A2土壤样品不同于CK、A1和A3土壤样品，在单独的聚类群中。

图2、土壤(a)细菌和(b)真菌群落主坐标分析(PCoA)。

细菌和真菌群落的独特分类特征

土壤样本中的优势细菌门(相对丰度> 5%)为变形菌门、放线菌门、厚壁菌门、绿弯菌门和浮霉菌门。ADI处理增加了厚壁菌门和芽单胞菌门的相对丰度，但降低了变形菌门和放线菌门的相对丰度(图3a)。土壤样品中的优势真菌门(相对丰度> 5%)是子囊菌门和被孢霉门。与CK相比，ADI处理显著增加了被孢霉门的相对丰度，但降低了子囊菌门的相对丰度(图3b)。

图3、不同处理中(a)细菌和(b)真菌在门水平的相对丰度(前10名)。

LEfSe分析确定了ADI处理中丰度持续变化的特定分类群。总共鉴定了141个有差异的细菌分类群(图4a)。ADI处理增加了红微菌属和吉米西亚属的相对丰度。

对于真菌，这4组富集了92个分类群(图4b)。ADI处理的水苏藻科(科)、裸子菌属(属)、金孢子菌属(属)、腐质霉属(属)、栖热菌属(属)和毁丝霉属(属)的相对丰度高于CK。

图4、通过LEfSe分析生成的(a)细菌和(b)真菌分类群的进化树。

细菌和真菌群落的共生网络分析

基于共现分数构建了细菌网络来评估四种处理(图5)；所有4组都有相似规模的网络(197-208个节点)。ADI处理具有比CK更小的聚类系数和图形密度。ADI处理(A1、A2、A3)和CK分别包含四个、五个、五个和四个模块。此外，ADI处理具有比CK显著更高的正/负(P/N)链接比，表明它们比CK具有更加正向的共现关系。

对于真菌，ADI处理具有更多的节点和边，但真菌网络模块节点之间的相互作用减少，与细菌网络相反。

图5、ADI处理(A1、A2和A3)和CK在土壤中的细菌和真菌共生网络。

细菌和真菌群落的功能特征

基于细菌ASVs，FAPROTAX分析用于预测生态和生物学功能(图6a)。60个类别与土壤细菌群落有关。优势官能团分类为化能异养(12.5%)，好氧化能异养(20.07%)，好氧化能异养(18.32%)。通常ADI产生的尿素分解基团比CK多，而反硝化、亚硝酸盐呼吸和硝酸盐还原的基团较少。

利用FUNGuild数据库来预测真菌功能特征。根据生态功能将真菌分为三类(图6b)：内生菌、腐生菌和致病菌。内生菌、粪腐生菌、不确定腐生菌和内生菌是主要的功能类群，占总数的42.95%。与CK相比，ADI处理具有较高的粪便腐生菌-植物腐生菌、粪便腐生菌-未定义腐生菌和粪便腐生菌-土壤腐生菌-木材腐生菌功能群的相对丰度，而较低的植物病原菌功能群的相对丰度。相反，内生菌的相对丰度在ADI和CK处理之间没有显著差异。值得注意的是，ADI处理显著增加了丛枝菌根真菌(AMF)功能群的比例。

图6、(a) FAPROTAX预测的细菌群落和(b) FUNGuild预测的真菌群落的功能热图。

推动细菌和真菌群落转变的环境因素

ADI处理显著改变了土壤化学性质。与CK相比，ADI处理，尤其是A2，显著增加了土壤有机碳、速效磷、总氮和铵态氮含量。冗余分析表明，土壤微生物(细菌和真菌)类群对环境因素的反应不同(图7)。值得注意的是，SOC和AP对土壤细菌和真菌类群的影响大。特别是有机碳对细菌群落组成的影响大，与革兰氏细菌和芽孢杆菌的变化呈正相关。相比之下，AP对真菌群落组成的影响大，其次是SOC和pH。这些选定的因素与真菌门、子囊菌门、担子菌门和卡尔卡里孢子菌门。

图7、(a)细菌和(b)真菌优势门与土壤环境因子的冗余性分析。

使用Mantel检验，研究者评估了每个环境因素对土壤细菌和真菌网络结构的影响，还揭示了环境因素和群落之间的相互关系多样性（图8)。

图8、环境因素与(a)土壤微生物网络结构和(b)土壤微生物群落多样性之间的关联。

结构方程模型解释了细菌群落50.8%的变异和真菌群落30.6%的变异，有机碳54.5%的变异，速效磷54.6%的变异，以及作物产量70%的变异(图9)。

图9、结构方程模型(SEM)线上的值代表路径系数。

研究结论

本研究表明，ADI产生了不同的土壤细菌和真菌群落模式，增加了真菌群落多样性，但不影响细菌群落多样性。ADI显著改变了细菌和真菌的共生关系，提高了细菌网络的稳定性，增加了真菌群落对土壤AP的敏感性。研究者认为细菌群落在提高土壤有机碳含量中起着重要的作用，而真菌群落促进了土壤磷的含量。在ADI处理中，一些分类群在提高SOC和AP方面发挥了关键作用。中等溶解氧浓度的ADI增加了碳和磷相关官能团的相对丰度。需要进一步的研究来确定功能微生物群落在不同营养模式下对ADI的响应，这可能为制定合理的灌溉策略和提高作物生产力开辟新的途径。

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