Effects of inorganic and organic treatmentson the microbial community of maize rhizosphere by a shotgun metagenomics approach
DOI：10.1186/s13213-020-01591-8
摘要
微生物是养分生物地球化学循环、促进植物生长和抑制病害的主要驱动力。有机肥可以提高土壤质量和植物生产力;无机肥料也是如此。本研究共有5个处理，分别为两个不同量的有机肥处理(8吨/公顷和4吨/公顷)和无机肥处理(120公斤/公顷氮磷钾和60公斤/公顷氮磷钾)，未施肥的土壤作为对照。每个处理采集3个土壤样本。研究采用Shotgun宏基因组学方法研究了有机堆肥和无机肥料对玉米根际微生物群落多样性的影响
肥料处理对玉米根际微生物群落结构的影响
研究发现施肥处理显著影响了玉米根际微生物群落的结构。通过进行PCoA分析，发现微生物群落可以根据施肥处理被分为四个主要的集群（图1）。对各处理进行主成分分析(PCA)，得到各处理对细菌群落结构的影响，在门水平上，肥料对细菌群落结构有明显的影响(图2)。与高无机肥料和中剂量堆肥处理相比，最高有机肥(8吨/公顷)处理土壤、低无机肥料(60公斤/公顷)处理和对照对细菌群落的选择作用最大。然而，使用堆肥土壤施肥导致玉米根际样品的歧视性选择和群落结构的变化。
不同根际土壤样品宏基因组的比较
玉米根际土壤宏基因组的分类群落分析结果显示，细菌占98.2%，真核生物约占1.2%，病毒占2.2%，古细菌占0.8%(图3)。不同施肥处理在分类群结构域水平上的微生物组成有显著差异。最高的显示在细菌领域。其中，Cp8、N1 、N2 和Cn0的序列数量最多，而Cp4 的序列数量较少(P < 0.05)。病毒和真核生物主要出现在低堆肥肥料处理的根际土壤中，而古生菌主要出现在N2无机肥料处理的土壤中(图3)。
在对照和N1处理下，病毒数量极低，而在添加4 t堆肥和较高无机肥处理下，病毒数量非常多(P < 0.05)。观察到的病毒科显示，环状病毒科、隐病毒科和微病毒科在低有机堆肥处理的根际土壤中含量最多，而肌病毒科、足病毒科和丝状病毒科在高剂量有机堆肥处理的土壤中含量最多(图4)。真核生物在Cp8和Cp4处理中含量较高，而小球菌科、子囊菌科、孢子菌科在Cp8处理中含量较高。在Cp4处理中，芽枝菌群和壶菌群数量最多。古菌在Cp8和N2处理中数量最多。Cp8处理含有较多的Korarchaeota和Euryarchaeota，而Nanoarchaeota, Crenarchaeota和Thaumarchaeota在N2处理的样品中最丰富(图5)。
无论采用哪种施肥处理方式，土壤样本中的细菌序列读数都能够映射到变形菌门和放线菌门两个主要的细菌门类，在Cp8、N1和Cn0中丰度最高(图6)。拟杆菌门在所有处理中表现出几乎相同的丰度水平，但在Cp8样品中最高。另一方面，厚壁菌门分别在Cp4和N2中最占优势(图5)。在门和纲水平上，Proteobacteria和Alphaproteobacteria在中Cp8, N1和Cn0样品占优势。而Gammaproteobacteria在Cp4和N2样品中占主导地位(图S1)。放线菌是门域第二丰富的细菌，除Cp4和N2处理外，Cp8、N1和Cn0处理之间差异不大(P < 0.05)。在类水平上，芽孢杆菌在Cp4和N2处理中丰度最高，而在其他处理中，芽孢杆菌的丰度极低。对照、Cp8和N1样品中也大量含有氯氟西菌，而对照和Cp8样品中以Verrucomicrobia为主。然而，氯仿菌占主导地位堆肥处理土壤(Cp8和Cp4)和对照(图6)。Cp4和N2样品中最丰富的属是芽孢杆菌(相对丰度分别为49.78%和79%)，属于厚壁菌门。
处理后的根际土壤样品中细菌的多样性
Simpson、Evenness和Shannon多样性指数显示，在N1、Cp8和Cn0之间的差异不显著（P > 0.05），但与N2和Cp4处理的根际土壤样本不同（见图7）。Kruskal-Wallis测试揭示了根际土壤样本中细菌多样性的显著差异（P = 0.001）。然而，样本间的相似性分析（ANOSIM）是显著的（P值为0.01，R值为0.55）。
结论
研究表明，使用堆肥和无机NPK肥料对玉米微生物群落有影响。较高水平的无机肥料处理显著改变了农业土壤中微生物群落的结构和丰度。较低剂量的氮肥和较高堆肥的应用提高了细菌、真菌和古菌的丰富度、丰度和多样性，从而增强了根际的稳定群落。建议使用8吨/公顷的堆肥和60公斤/公顷的无机肥料的综合施肥方法，以实现植物健康、生产力和微生物群落的最大效果。
根际互作生物学研究室 简介
根际互作生物学研究室是沈其荣院士土壤微生物与有机肥团队下的一个关注于根际互作的研究小组。本小组由袁军教授带领，主要关注：1.植物和微生物互作在抗病过程中的作用；2 环境微生物大数据整合研究；3 环境代谢组及其与微生物过程研究体系开发和应用。团队在过去三年中在 Nature Communications，ISME J，Microbiome，SCLS，New Phytologist，iMeta，Fundamental Research， PCE，SBB，JAFC（封面），Horticulture Research，SEL（封面），BMC plant biology等期刊上发表了多篇文章。欢迎关注 微生信生物 公众号对本研究小组进行了解。
撰写：万婷
修改：文涛
排版：刘炜烨
审核：袁军 团队工作及其成果 （点击查看）
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