有机肥施用下我国华北平原潮土细菌群落进化演替的驱动机制规律研究

The information regarding responses and feedbacks of soil microorganisms can guide us a more scientific fertilization strategy. Although many finding of this kind of information had been documented in the past decade, the underlying ecological processes govern soil microbial biodiversity in response to fertilizations still remains elusive. In this proposal, we collected the over 20-year archived soil samples under different fertilizations in Fengqiu Agro-ecological Experimental Station, Chinese Academy of Sciences. We will try to disentangle the mechanisms that mediate the balance between stochastic and deterministic process in microbial succession during over 20-year fertilizations by analyzing their phylogenetic relatedness, unravel the succession of their intraspecific interactions by co-occurrence network analysis and compare the genome of most distinctly responding species to organic manure, Bacillus asahii. By integrating the evolution of community, species and genome, we try to figure out the mechanisms of the influence of organic manure on arable soil bacteria in North China. This finding will be of great help towards the understanding the relationship between fertilization and the sustainability of agroecosystem.

土壤微生物对施肥的响应和反馈对于评价和指导科学施肥具有极为重要的意义。土壤微生物对不同施肥响应的研究在近十年内有了巨大突破，但是其生态驱动过程和演替进化机制等仍尚未揭示。本申请基于封丘长期定位试验站20多年间多种施肥的珍贵土壤样品，利用高通量测序等技术分析微生物物种亲缘性以表征群落结构形成的生态驱动过程；利用土壤宏基因组测序和基因芯片测序等技术构建微生物网络以明确物种种群间的交互性；进一步改进传统芽孢杆菌筛选方法，获得有机肥施用不同年限下野生型Bacillus asahii菌株，通过比较基因组学研究，明确该物种基因组进化过程；最终耦合微生物基因组、种群和群体三个层面的进化和演替过程，系统性揭示有机肥施用对我国华北平原潮土微生物的影响机制。该认知将有助于我们更深入诠释潮土地力提升的微生物学机制和制定科学施肥方式，也有助于将该套方法推广于其它农田土壤地力提升的研究和实践中。

土壤微生物对施肥的响应和反馈对于评价和指导科学施肥具有极为重要的意义。土壤微生物对不同施肥响应的研究在近十年内有了巨大突破，但是其生态驱动过程和演替进化机制等仍尚未揭示。基于此认知，本项目采集了2018年作物收获后新鲜土壤样本，并收集1989-2009年间的风干保存土壤样本和历年粮食产量数据，通过微量热、高通量测序以及实时定量PCR技术测定土壤微生物活性、群落结构和功能；利用生物信息学方法解析不同施肥处理下潮土微生物的群落构建机制和物种间交互性的时间演替规律。发现施用有机肥虽然前期作物增产效果不如化肥，但在几年后就能达到相同的增产效果。且不同施肥处理土壤微生物群落随施肥时间变化均发生显著演替。耦合环境变量、微生物多样性和活性，发现农田微生物群落时间序列的周转受到施肥和作物生长两个方面的影响。其中，有效磷是控制潮土细菌群落结构维系的关键环境因子，磷的可利用性影响施肥潮土细菌群落结构的形成和演替。进一步利用回顾性分析研究指示微生物组，发现其中大多数与土壤肥力（碳和养分含量）和作物产量密切相关，并可以与公共数据库中的菌株精确匹配。这些微生物系统类型可提高作物产量与养分循环、有利于环境可持续性发展。其中，Bacillus asahii在有机施肥中脱颖而出，并与多个物种形成养分和有机质转化相关的功能群。基于此，我们从潮土中分离出了Bacillus asahii OM18菌株，通过代谢网络重构发现它的一些独特基因参与了碱性土壤中的碳循环、氮代谢等过程。这些遗传特征有助于Bacillus asahii OM18超越其他物种，促进作物生长，提升土壤肥力。此外，我们利用磁性纳米粒子介导分离技术筛选了不同施肥处理中的潮土芽孢杆菌，发现长期施用有机肥可显著增加芽孢杆菌的大小。以上认知有助于我们更好的调控土壤微生物，特别是以芽孢杆菌为核心的微生物功能组，促进潮土地力的可持续性。