长期施用氮肥对土壤细菌硝化基因多样性及组成的影响

以中国科学院桃源农业生态试验站水稻长期定位试验为平台(28°55′49.8″N,111°26′25.7″E),运用PCR、克隆文库构建等分子生物学技术研究长期单施氮肥(尿素)对亚硝化基因(amoA和hao)多样性及其群落结构的影响.结果表明,长期单施氮肥使amoA基因多样性降低(Shannon指数减少了11%),而ha...     

双氰胺对冬闲稻田和油菜地N2O排放的影响

冬季的温室气体排放往往被忽视,而最新的研究结果表明,冬闲稻田和冬季油菜地N_2O排放仍较大,研究相应的减排措施及减排机制对于减少农田土壤N_2O排放有重要意义.在中国科学院桃源农业生态试验站选择冬闲稻田和油菜地两种不同土地利用方式,并设置添加和不添加双氰胺(DCD)处理,采用静态箱采集和气相色谱法结合监测N_2O排放动态,利用分子生物学手段分析氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的群落结构和丰度变化.结果表明,添加DCD后明显抑制了冬闲稻田和油菜地N_2O排放,分别减少了36.7%和23.6%.DCD施入抑制了冬闲稻田AOA和AOB的丰度但只改变AOA的群落结构,DCD使AOA和AOB丰度分别减少了59.3%和73.7%.与此相反,添加DCD只改变油菜地AOB的群落结构同时只抑制了AOB的丰度.本研究表明,施加DCD能有效减少冬闲稻田和冬季油菜地N_2O排放,但减排机制不一致.     

磷差异性调控水稻根际nirK/nirS型反硝化菌组成与丰度

磷作为一种重要的生命元素,对反硝化微生物的活性和功能有重要影响.反硝化功能基因nir K和nir S是编码亚硝酸还原酶的两种同工酶基因,但是,磷对具有同种功能的nir K和nir S型反硝化菌的调控是否存在差异尚不十分清楚.本文采集严重缺磷红壤性水稻土设置水稻盆栽试验,通过外源添加磷肥设置对照(CK,P:0 mg·kg-1),低磷(P1,P:15 mg·kg-1),高磷(P2,P:30 mg·kg-1)这3个磷添加水平,研究不同磷水平对水稻亚硝酸还原酶基因的组成与丰度的调控作用.结果表明,在长期缺磷土壤上施用磷肥对含亚硝酸还原酶基因nir K和nir S的细菌种群的调控作用有明显差异.不管是根际还是非根际土,含nir S的微生物种群均对施磷水平表现敏感,尤其是高磷(P2)水平,施磷可导致nir S丰度提高2～3倍,同时显著改变nir S型反硝化微生物的组成结构.相比之下,施磷后含nir K基因的微生物组成结构和丰度变异较小.与非根际土壤相比,高磷水平条件下根际土中nir S的基因拷贝数和群落结构均发生了显著变化,缺磷和低磷条件下水稻生长只引起根际土nir S种群组成结构发生显著变化,但其丰度与非根际无显著差异.但不同磷水平条件下nir K的基因丰度和组成结构在根际和非根际土之间几乎无显著变化.综上所述,在严重缺磷水稻土中加施磷肥会显著提高水稻根际和非根际土中nir K和nir S型反硝化菌数量,并改变其种群组成结构,且nir S比nir K型种群响应更敏感.不同磷水平条件下的水稻根系生长均显著改变了根际土壤中nir K和nir S种群组成结构,但除了在高磷水平条件下显著增加了nir S丰度外,对nir K和nir S丰度均影响较小.研究结果可为进一步深入探究施肥对土壤反硝化过程的影响提供理论依据.     

长期施用氮肥对水稻土亚硝酸还原酶基因多样性的影响

以中国科学院桃源农业生态试验站长期定位试验的土壤样品为对象,采用PCR扩增、克隆测序等分子生物学技术,研究长期施氮肥对水稻土亚硝酸还原酶基因nirK、nirS多样性的影响.序列分析结果表明,从水稻土中克隆的系列nirK基因片段与NCBI数据库中未知菌种的nirK基因相似性较高,平均达90.7%;而nirS基因片段与数据库中已知的nirS基因相似度低,平均74.7%.通过Chao1估计值预测,nirK基因在不施肥处理(CK)、施氮肥处理(N)中分别有58±13和49±9个不同的OTUs,而nirS基因在CK处理、N处理中分别有49±10和132±43个不同的OTUs.Chao1预测曲线95%置信区间(95%CIs)显示,氮肥施用显著提高了nirS基因的多样性,而对nirK基因多样性则无显著影响.LIBSHUFF分析比较N、CK处理克隆文库间的差异,结果显示nirK基因处理间群落结构差异p0.022,达到显著水平;而nirS基因处理间的群落结构无显著差异.系统发育分析显示,nirK、nirS基因的系统发育树分别可分为3个及4个大簇.施用氮肥导致nirK、nirS克隆有不同程度的聚集,说明氮肥改变了nirK和nirS基因群落结构,其中氮肥对nirK基因群落结构的影响更大.总体来说,氮肥的施用对水稻土nirK基因群落多样性无显著影响,但明显提高nirS基因群落的多样性;而长期施氮肥使含nirK基因的反硝化菌群落结构发生显著变化,对nirS基因群落结构则无显著影响.     

不同土地利用方式下冬季N2O排放及其影响因素

由于冬季气温低,温室气体的排放往往被忽视.而最新研究结果显示,土壤冬季仍然持续排放N2O.研究不同土地利用方式下冬季N2O排放规律对于评估农田土壤N2O排放有重要意义.在中国科学院桃源农业生态试验站选择4种不同的土地利用方式包括冬闲稻田、油菜地、蜜柚园和撂荒地,采用静态箱采集和气相色谱法结合监测N2O排放动态.结果表明,冬闲稻田和油菜地N2O排放量明显高于蜜柚园和撂荒地,其顺序为:油菜地>冬闲稻田>蜜柚园>荒地.N2O的累积排放量分别为0.502、0.392、0.162、0.075 kg·hm-2.冬闲稻田和油菜地的累计排放量占全年排放量的贡献较大而蜜柚园和荒地则较小.相关性分析结果表明,对于不同的土地利用方式,当土壤温度>5℃时,冬季N2O排放通量与土壤温度都有显著指数正相关,而与水分没有相关性.本研究表明,当土壤温度>5℃,土壤温度是冬季桃源不同土地类型N2O排放的主导因素;当土壤温度<5℃时,土壤温度和其他环境因素综合影响了N2O的排放.     

多年蔬菜连作对土壤氨氧化微生物群落组成的影响

为揭示农业生产中长期大量施用化学肥料对土壤硝化过程微生物种群的影响及其与土壤硝化能力的偶联关系,本研究通过在长沙黄兴蔬菜基地采集长期连作蔬菜(20 a以上,VL)和短期蔬菜种植地(2 a左右,VS)表层土壤(0～20 cm),利用末端限制性片段多态性(T-RFLP)和实时定量PCR(Q-PCR)等手段系统研究了蔬菜连作对氨氧化细菌(ammonia-oxidizingbacteria,AOB)和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)的组成和丰度的影响及其与土壤硝化势的偶联关系.结果表明,长期蔬菜连作显著使得土壤中AOB amoA的组成趋于单一,同时也影响了土壤中AOA amoA的群落组成;RDA分析结果表明,影响AOB amoA群落结构的主要土壤因素为土壤pH以及Olsen-P的含量.土壤中AOA amoA基因拷贝数明显高于AOB,平均为细菌丰度的6倍,但土壤硝化势(PNF)与土壤中AOB amoA基因丰度成显著的正相关,而与土壤中AOA amoA基因丰度没有显著的相关性.尽管多年蔬菜连作对AOB和AOA丰度的影响还不清楚,却使得AOB优势种群富集,土壤硝化能力增强.     

DNA和cDNA水平对比研究施肥对稻田土壤细菌多样性的影响

依托长沙农业环境观测研究站不同施肥方式长期定位试验,直接从土壤中抽提总DNA和RNA,应用T-RFLP和RTPCR技术在DNA和c DNA水平对比研究施肥对亚热带稻田土壤细菌丰度和群落结构的影响.结果表明,施肥和秸秆还田显著改变了土壤细菌群落组成(DNA水平)和转录组成(c DNA水平)结构,且不同处理中DNA水平的T-RFLP图谱与cDNA水平相差很大.施肥和秸秆还田降低了土壤中存在的细菌多样性,对土壤中转录的细菌多样性没有影响.土壤16S rRNA基因丰度(DNA水平)平均是其转录丰度(c DNA水平)的337倍,与不施氮肥处理(N0)相比,平衡施肥(NPK)没有改变土壤细菌的数量,在平衡施肥的基础上进行秸秆还田增加了土壤细菌的数量,但高量与低量秸秆还田没有显著差异.RDA分析表明,稻田土壤中铵态氮含量是调控各处理土壤中存在及转录的细菌群落的关键因子.总体而言,不管在DNA还是c DNA水平,研究施肥对土壤细菌丰度的影响均是可行并可信的;但只有在c DNA水平开展研究,才能有效发现细菌群落对环境的适应性.     

淹水水稻土消耗N2O能力及机制

大量研究表明淹水厌氧状态下的水稻田等湿地生态系统中N₂O负排放量巨大,对缓解大气温室气体效应有重要意义,但水稻土壤对大气N₂O的吸收消耗潜力以及调控潜力发挥的微生物机制却鲜见报道.本实验以表层渍水水稻土壤（0~5 cm）为研究对象,通过室内厌氧培养手段,分析环境N₂O浓度的提高对土壤N₂O消耗能力的影响以及nosZ基因丰度的变化规律.结果表明,淹水厌氧状态下的水稻土壤中nosZ基因绝对丰度（以干土计）在DNA水平上达到10⁸ copies·g^-1,具有很强的N₂O转化还原潜力.回归分析结果显示环境N₂O浓度与土壤N₂O消耗速率显著线性正相关（r²=1,P<0.001）,土壤N₂O消耗能力可被高浓度的环境N₂O极大程度激发,达到4567.99 μg·（m²·h）^-1.与此同时较高水平的nosZ基因丰度在不同浓度N₂O处理间无显著差异,说明DNA水平上的nosZ基因丰度可能已经不是限制N₂O还原的关键因子,微生物调控因子需进一步探索.     

水稻土细菌硝化作用基因（amoA和hao）多样性组成与长期稻草还田的关系研究

以中国科学院桃源农业生态试验站长期定位试验的土壤样品为对象,采用PCR扩增、克隆文库构建以及序列测定等分子生物学技术分析稻草还田对亚硝化功能基因amoA和hao多样性的影响.结果表明,水稻土稻草还田处理(氮磷钾+水稻秸秆,SR)降低了amoA和hao基因的多样性,其Shannon指数分别为3.7和3.2;而氮磷钾处理(CK)的Shannon指数达到4.0和3.7.LIBSHUFF分析比较CK和SR处理克隆文库的差异,结果显示amoA和hao基因处理间群落结构p值分别为0.002和0.001,均达到极显著水平.序列分析结果表明,对于amoA基因,只检测到与亚硝化螺菌属(Nitrosospira)相似的以及与未知的amoA基因相似的基因,并且与Nitrosospira相似的只出现在SR处理中,相似率达96%以上,而与未知的amoA基因相距最近的已知菌属也是Nitrosospira;获得的hao基因则分布于变形菌门(Proteobacteria)中的3个纲(α、β、γ),其中CK处理获得的hao基因主要与Silicibacter、甲基球菌属(Methylococcus)相似,SR处理获得的基因主要与亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)亲缘关系较近.系统发育树分析显示亚硝化基因(amoA、hao)在这2个处理中可被分为4个基因簇(Cluster),稻草还田使亚硝化细菌群落发生了明显的分异,出现了基因聚类现象,并且在amoA基因树图中出现了只由SR处理构成的分支(ClusterⅣ).总体来说,长期稻草还田降低了亚硝化基因amoA和hao的多样性,明显改变了亚硝化细菌群落结构.