氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响.pdf
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1、DOI:10.11689/sc.2023050901高瑞敏,严君,邹狮,等.氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响J.土壤与作物,2023,12(4):373 384.GAO R M,YAN J,ZOU S,et al.Effects of nitrogen fertilizer on microbial community and metabolism in rhizosphere soil of soybeanJ.Soils and Crops,2023,12(4):373 384.氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响高瑞敏1,2,严君1,2,邹狮1,2,韩晓增1,2,邹文秀1,2,
2、陈旭1,2,陆欣春1,2,杨舒纯1,2,许梦琪1,2(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所,黑龙江 哈尔滨 150081;2.中国科学院大学,北京 100049)摘要:探究不同施氮水平下大豆根际固氮微生物群落和代谢差异,对于合理有效的调控根际生态系统、提高土壤养分利用效率等具有重要意义。采用土壤代谢组学和高通量测序技术,研究了不同施氮处理对大豆根际土壤代谢产物与固氮微生物群落结构的影响。结果表明,无氮和施氮处理下大豆根际土壤代谢产物以及土壤固氮菌群落结构差异显著;共检测到29 种差异代谢物,包括有机酸、聚酮类化合物、脂肪酰基类化合物、有机含氮化合物等物质;施氮促进大多数代谢物含量上调,且以有
3、机酸及其衍生物含量最高,而下调代谢物仅 1 种为脂肪酰基类化合物。差异代谢物通路分析表明,差异代谢产物主要富集在氨基酸合成与碳水化合物代谢等途径;此外,施氮处理显著改变固氮微生物群落结构组成,与无氮处理相比大豆根际土壤中慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、固氮氢自养单胞菌属(Azohydromonas),弗兰克氏菌属(Frankia)以及中华根瘤菌属(Sinorhizobium)等相对丰度显著下降。相关性分析表明根际优势固氮菌慢生根瘤菌属、固氮氢自养单胞菌属以及弗兰克氏菌属同大多数上调代谢物呈显著负相关关系,同下调差异代谢物呈显著正相关关系;中华根瘤菌属同大多数上调代谢物呈显著负相关
4、关系。施氮可能通过影响根系分泌物,从而直接或间接对根际土壤固氮微生物群落结构产生影响。研究结果为不同氮肥处理对大豆根际土壤微生物群落及代谢产物的影响提供了理论基础。关键词:氮肥;固氮菌群落;代谢产物中图分类号:S154.3文献标识码:AEffects of nitrogen fertilizer on microbial community and metabolism inrhizosphere soil of soybeanGAO Ruimin1,2,YAN Jun1,2,ZOU Shi1,2,HAN Xiaozeng1,2,ZOU Wenxiu1,2,CHEN Xu1,2,LU Xinc
5、hun1,2,YANG Shuchun1,2,XU Mengqi1,2(1.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences,Harbin 150081,China;2.University ofChinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:It is of great significance to explore the differences of nitrogen-fixing microbial communit
6、ies and metabolism in therhizosphere of soybean under different nitrogen applications for reasonable and effective regulation of rhizosphere ecosystems andimprovement of soil nutrient use efficiency.Soil metabolomics and high-throughput sequencing techniques were used to study theeffects of differen
7、t nitrogen applications on soil metabolites and nitrogen-fixing microbial community structure in soybean rhizo-sphere.The results showed that there were significant differences in community structure and soil metabolites of nitrogen-fixingbacteria in soybean rhizosphere soil under no nitrogen treatm
8、ent and nitrogen treatment.A total of 29 differential metabolites weredetected in the experiment,including organic acids,polyketides,fatty acyl compounds,organic nitrogen-containing compounds andother substances.Nitrogen applications promoted the up-regulation of most metabolites.The analysis of dif
9、ferential metabolitepathways showed that differential metabolites were mainly enriched in amino acid synthesis and carbohydrate metabolism.Inaddition,the nitrogen applications changed the microbial community structure,resulting in a significant decrease in the relative 收稿日期:2023 05 09;修回日期:2023 06 3
10、0.基金项目:国家重点研发计划(2022YFD1500802);黑龙江省“揭榜挂帅”科技攻关项目(2021ZXJ05B03);中国科学院战略性先导科技专项 A 类(XDA28070000).第一作者简介:高瑞敏(2000-),女,硕士研究生,主要从事土壤微生态研究.E-mail:.通信作者:严君(1982-),女,副研究员,主要从事土壤微生态研究.E-mail:.土壤与作物 2023 年 12 月 第 12 卷 第 4 期Soils and Crops,Dec.2023,12(4):373 384abundance of Bradyrhizobium,Azohydromonas,Frankia
11、 and Sinorhizobium in the rhizosphere soil.Correlation analysis showed thatinter-rhizosphere dominant nitrogen-fixing bacteria were significantly negatively correlated with most of the up-regulateddifferential metabolites and significantly positively correlated with the down-regulated differential m
12、etabolites.The results provideda theoretical basis for the effects of different nitrogen fertilizations on microbial communities and metabolites in soybeanrhizosphere soil.Key words:nitrogen fertilizer;diazotrophic community;metabolites 0引言土壤代谢产物主要来源于植物的根系分泌、根际微生物代谢以及土壤有机质的分解过程等1,它们通过充当根际微生物的碳源、信号分子
13、等对根际微生物群落结构产生影响,进而对土壤理化性质、作物生长发育等起着关键调节作用2。大豆具有共生固氮功能,同时也是需氮较高的作物,施用氮肥会改变土壤微生物代谢及土壤微生物群落结构等微生物学过程,从而直接或间接影响土壤养分和大豆的生长发育3 4。因此,阐明氮肥施用条件下大豆根际土壤微生物群落和代谢产物的变化规律至关重要。土壤微生物群落及代谢产物对氮肥的响应是复杂的,目前其影响机制仍有争论5 7。长期施氮显著降低农田生态系统中固氮微生物的丰度和多样性,而慢生根瘤菌属的相对丰度有所增加8。高氮处理使得小麦中参与氮代谢的氨基酸、碳水化合物、有机酸及脂质含量显著上调。此外,施氮引起野生大豆根系中氨基酸
14、类代谢物下调,糖醇、有机酸以及次生代谢类物质上调9。以往的研究已证实:施氮会显著改变了土壤代谢产物和土壤微生物群落组成,但目前有关植物根际土壤代谢物研究较少,且缺乏根际土壤代谢组学同根际土壤固氮菌群落的联合研究。本研究选择东北典型黑土与本地主栽大豆品种,通过对大豆施用不同量氮肥,研究不同施氮水平下土壤根际代谢物和固氮微生物群落差异,揭示不同施氮水平下根际土壤代谢物同土壤固氮微生物群落结构之间的联系,将有助于我们认识不同氮素水平下根系分泌物介导的植物-土壤微生物间相互作用过程,对于合理有效的调控根际生态系统、促进作物增产、提高土壤养分利用效率以及生态系统的可持续发展等方面具有重要意义。1材料与方
15、法 1.1试验设计试验于 2021 年 5 月至 10 月在中国科学院东北地理与农业生态研究所试验场(4538N,12639E)进行。供试土壤为黑土。供试大豆品种为东生 35。试验设置两个施氮水平:(1)CK,不施氮;(2)SN,施氮量为 100 mgkg1土。采用盆栽试验,每盆(PVC 材料,直径 20 cm,高 45 cm)装土 5.5 kg。氮肥在大豆生长发育的 V2 期,以水溶液的形式随灌溉水施入,每个处理 4 次重复,随机排列。供试氮肥为尿素(46%N),磷钾肥在土壤装盆前与土壤充分混匀作为基肥,磷肥为过磷酸钙(15%P2O5),钾肥为硫酸钾(52%K2O),施用量均为 3 mgkg
16、1土。1.2样品采集在大豆播种后第 37 d(第 4 节复叶全展期),即施氮肥后第 10 天,将完整的大豆根系从盆栽土壤中取出,轻轻抖落以去除松散粘附在根系的根区土壤,将未抖落紧密粘附在根系的土壤(15%(图 1)。但 SN 处理下的不同优势固氮菌属的相对丰度均显著低于对应的CK 处理(P 0.5,且均在置信区间,表明该研究数据集具有较高的稳定性和可重复性,可用于不同施氮处理下的大豆根际土壤代谢物差异分析。2.3土壤差异代谢物采用 OPLS-DA 模型筛选差异代谢物,累计解释能力参数 R2X 和 R2Y 分别为 0.922 和 0.978,预测能376土 壤 与 作 物第 12 卷力参数 Q2
17、=0.961,参数均大于 0.4,表明此模型可靠,对模型进行随机分组 200 次的置换检验(Permutationtext),Q2回归直线与 Y 轴的截距小于 0,该模型不存在过拟合现象(图 3)。基于 OPLS-DA 模型,采用变量权重值 VIP 并结合 t 检验 P 值与差异倍数 FC 进行差异性表达代谢物筛选。设置 VIP 阈值 1,P 1.2 或 FC 0.83,在 CK 和 SN 处理下根际土壤中筛选出 29 种显著性差异的代谢物。与 CK 处理相比,SN 处理的大豆根际土壤有 28 种代谢物表达量上调,其中包括 8 种有机酸、7 种聚酮类化合物、6种脂肪酰基类化合物、2 种核酸及其
18、衍生物、2 种有机含氮化合物、1 种有机杂环化合物、1 种碳水化合物和 1 种其它类化合物(表 2)。其中,油酸酰胺(Oleamide)、9,12-十八碳二烯醛(9,12-Octadecadienal)、牛磺酸(Taurine)、月桂酰胺(Lauramide)、谷氨酸(Glutamic acid)、胆碱(Choline)、亚油酰胺(Linoleamide)、大豆苷(Daidzin)、腺嘌呤(Adenine)等代谢物差异倍数 FC 1.5 倍。此外,脂肪酰基类化合物芥酸酰胺(Erucamide)相对含量显著下降(P 0.05),其差异倍数 FC 介于 1.2 1.5 倍之间(图 4 和图 5)。
19、150 000100 000ABCKSN50 00050 0001.232 26*to 1100 000300 000150 0000150 0001.000 17*t1300 00000.20.40.60.81.01.2R2Q2150 00001.01.02.0R2=(0,0.351),Q2=(0,0.906)3.00注:A:OPLS-DA 模型得分分布图;B:OPLS-DA 模型排列置换检验结果(n=200)。Note:A:Score distribution of OPLS-DA model;B:OPLS-DA model permutation test results(n=200).
20、图 3OPLS-DA 分析得分图及置换检验图Fig.3OPLS-DA analysis score chart and permutation test 1.51010PC 1(81.2%)PC 2(13.2%)CKQCSN1.010105.010905.01094.01092.010902.01094.01096.0109注:QC 为质控样本数据,只确保方法的稳定性与重复性,不参与分析。Note:QC is the quality control sample data,which only ensures the stability and repeatability of the met
21、hod,not involved in analysis.图 2无监督主成分分析(PCA)图Fig.2Unsupervised principal component analysis(PCA)第 4 期高瑞敏等:氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响377 2.4土壤代谢物代谢途径不同施氮水平影响大豆根际不同土壤代谢物相互作用,形成不同的代谢途径(图 6)。不同处理的代谢相关通路包括:精氨酸生物合成(Arginine biosynthesis)、精氨酸和脯氨酸代谢(Arginine and prolinemetabolism)、谷胱甘肽代谢(Glutathione metabolism)、
22、氨基酰基-tRNA 生物合成(Aminoacyl-tRNAbiosynthesis)、牛磺酸和亚牛磺酸代谢(Taurine and hypotaurine metabolism)、嘌呤代谢(Purinemetabolism)、氮代谢(Nitrogen metabolism)、丁酸盐代谢(Butanoate metabolism)、玉米素生物合成(Zeatin biosynthesis)、丙酮酸代谢(Pyruvate metabolism)、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成 表 2不同施氮处理下大豆根际土壤差异代谢物Table 2Differential metabolites in soybe
23、an rhizosphere soil under different nitrogen fertilizations代谢物MetabolitesVIP值VIP差异倍数Fold changelog2(FC)P值P value变化趋势Trends in changes芥酸酰胺Erucamide1.2550.7330.4480.01下调Down油酸酰胺Oleamide1.5401.5260.6100.001上调Up9,12-十八碳二烯醛9,12-Octadecadienal1.5401.5270.6110.001上调Up牛磺酸Taurine1.5401.7910.8410.001上调Up月桂酰胺L
24、auramide1.5392.1111.0780.001上调Up谷氨酸Glutamic acid1.5351.4540.5400.001上调Up胆碱Choline1.5261.2670.3420.001上调Up亚油酰胺Linoleamide1.5201.5600.6420.001上调Up大豆苷Daidzin1.5181.4440.5300.001上调Up腺嘌呤Adenine1.5051.7170.7800.001上调Up新补骨脂异黄酮Neobavaisoflavone1.4941.8580.8940.001上调Up瓜氨酸Citrulline1.4911.3240.4040.001上调Up癸酰胺
25、Decanamide1.4691.4210.5070.001上调Up焦谷氨酸Pyroglutamic acid1.4681.4630.5490.001上调Up乙酰-肉碱Acetyl-carnitine1.4471.3120.3920.001上调Up黄豆黄素Glycitein1.4191.9820.9870.001上调Up肉碱Carnitine1.3861.2320.3010.001上调Up染料木素Genistein1.3481.6460.7190.01上调Up乳酸Lactic Acid1.3132.2111.1450.01上调Up次黄嘌呤Hypoxanthine1.3092.4611.2990
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