DOI：10.1016/j.geoderma.2022.115846
研究方法
3个试验点分别位于黑河（北纬50°15′，东经127°27′）、明珠乡（北纬45°50′，东经126°51′）和公主岭（北纬43°31′，东经124°48′），分别对应东北黑土区北（NB）、中（MB）和南（SB）位点。自1980年代以来，这三个地点已经进行了30多年的连续施肥实验，本研究选择了不施肥（NoF）、化学施肥（CF）、粪肥（M）和化学加粪肥（CFM）四种处理，重复3次。2014年9月2日至5日，从每个地块采集了土壤深度为0-20厘米的土壤样本。一部分土壤用于土壤DNA提取，剩余土壤进行土壤理化性质测定。土壤DNA提取、宏基因组测序和生物信息学分析
黑土微生物多样性研究
施肥制度对所有处理组影响较大（P＜0.05），这解释了8.43%的方差，但生物地理距离的影响更为明显（P＜0.01），解释了77.4%的方差；土壤AP、TP、TC和PH值是影响所有样品微生物功能谱的显著影响因素。分别从36个宏基因组中检索到参与C和N循环的32个和24个基因的子集。正如对总功能基因的观察，地理距离解释了来自三个不同地点的土壤C和N功能谱的大部分变化（PCoA的PC1;C为70.4%，N为72.9%），施粪肥和更强的化肥加粪肥改变了黑土区C（P=0.015）和N（P=0.008）循环的微生物功能特征。对于单个地点，添加粪便处理同时显著影响了三个地点的C和N循环特征。
参与碳循环群落对施肥制度的响应
所有参与C循环的功能基因分为C降解、C固定和甲烷代谢。与NoF（不施肥）处理相比，长期施肥处理诱导与C循环相关的功能基因的明显变化（CF（化肥）显著提高了3个位点的pmoC（甲烷氧化）丰度在SB和NB的pmoB显著提高。然而，CF处理对C固定和降解相关功能基因的丰度没有显著影响。相比之下，M（粪肥）和CFM处理对甲烷代谢影响不大，但对C降解和固定有显著影响。M处理显著降低了malZ（淀粉降解）和xylH（半纤维素降解）的丰度，但pel（果胶降解）和cbhA（纤维素降解）的丰度高于NoF处理。在C固定过程中，与NoF处理。值得注意的是，M处理诱导的C周期相关基因的变异主要在SB和MB处观察到。与NoF处理相比，CFM处理显著提高了SB和MB中pel和cbhA的丰度。该处理还显著降低了三个位点的cooC和coxS（CO氧化）的丰度以及SB和MB中facA（多个系统）的丰度。从门分类水平的C循环相关基因分组可以看出，放线菌是参与黑土C循环的主要分类单元，其次是变形菌门、酸杆菌门、绿霉菌门和Gemmatimonadetes。与NoF处理相比，M和CFM处理分别显著增加了浮游菌和变形菌的丰度，而CF处理没有诱导三个地点的微生物分类群的一致变异。
参与氮循环群落对施肥制度的响应
参与氮循环的所有功能基因分为固氮、反硝化、硝化、同化硝酸盐还原（ANRA）、异化硝酸盐还原（DNRA）、厌氧氨氧化/羟胺氧化和氮降解。肥料的添加显著增加了三个地点一些氮循环相关基因的丰度。与NoF处理相比，CF处理显著提高了介导硝化和厌氧氨氧化过程的3个位点的amoC（以及SB和NB中的amoB）和hao/hzo的丰度。参与氮降解的GDH2丰度在MB和NB中也显著提高CF处理。与CF处理相比，添加粪肥处理对氮循环相关基因的影响不同。具体而言，与NoF处理相比，M处理显著提高了3个位点nasD和napA的丰度，SB和MB中nasA和napC的丰度显著增加。同样，CFM处理在三个位点和SB和MB中诱导了napA和nasA的丰度显着增加。此外，与NoF处理相比，CFM处理显著增加了反硝化相关功能基因的丰度，这些基因包括3个位点的narG和nirK以及MB和NB的norB。在参与氮循环的微生物类群中，放线菌门和变形菌门在3个位点的丰度最高，其次是酸杆菌门、绿霉门、Gemmatimonadetes门和Thaumarchaeota门。M和CFM处理显著提高了变形菌的丰度，CFM处理显著降低了3个部位的疣微生物丰度。与C循环的结果类似，CF处理对参与三个地点N循环的微生物分类群的变化影响不大。
微生物功能基因与土壤性质之间的关联
在三个地点一致观察到，土壤TP和AP，而不是C和N养分，显著影响了C和N循环的功能特征。此外，土壤pH值显著影响了氮循环的功能分布。从特定功能基因的热图中可以看出，在3个地点，土壤TP与C固定过程（特别是icd基因）呈显著正相关，而该土壤特性与C降解（即由xylF基因编码的半纤维素降解）呈相反趋势。在3个地点，norB（反硝化作用）与土壤AP呈显著正相关，hao/hzo（羟胺氧化/厌氧氨氧化）与土壤NH呈相似趋势4+-N 。此外，变形菌在C和N循环群落中分别与土壤TP和AP呈正相关，在3个地点。此外，通过交互式网络。在所有三个位点，pmoB（甲烷氧化）与GDH2（氮降解）呈正相关，norB（反硝化）和icd（rTCA循环）之间观察到类似的趋势。相比之下，norB与cooC（还原乙酰辅酶A途径）和coxS（CO氧化）呈负相关，narG（反硝化）与coxS呈负相关。
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：张天娇
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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小组负责人邮箱 袁军：junyuan@njau.edu.cn；
小组成员文涛：taowen@njau.edu.cn等
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