基于DNA-SIP技术的两种轮作模式农田土壤中comammox对硝化作用贡献的研究

Nitrification is an essential process in agricultural ecosystems. The classical two-step nitrification, the oxidation of ammonia to nitrate via nitrite, is radically challenged by the recent discovery of complete ammonia oxidation (comammox). The first report of comammox has triggered many scientific issues and deeply thoughts concerning relative contributions of comammox to nitrification since 2015. The aim of this study is to examine the distribution of comammox, the niche differentiation of conventional nitrifiers and comammox, as well as the relative contributions of comammox to nitrification in agricultural soils under two long-term various crop rotations: wheat-maize and wheat-soybean. A combination of molecular methods, such as DNA-based stable-isotope probing (DNA-SIP), real-time quantitative PCR, and high-throughput sequencing, will be used to identify contributions of conventional ammonia oxidizers and comammox to nitrification. Results from this research will significantly improve our fundamental understanding of nitrogen transformation in agricultural soils, and will provide important scientific evidence for nitrogen fertilizer management, thus help mitigate agricultural non-point pollution and nitrous oxide emissions.

硝化作用是农田生态系统的重要过程。2015年底，可以进行一步硝化的comammox的发现，颠覆了人们对传统两步硝化过程近百年的认知，并引发众多关于comammox在硝化过程中相对贡献的深入思考。本项目拟以小麦-玉米和小麦-大豆两种轮作模式长期定位试验田为研究对象，运用定量PCR、高通量测序、稳定同位素核酸探针（DNA-SIP）等分子生物学技术，研究农田土壤中comammox在不同轮作模式下丰度和群落结构的年际变化，以及传统硝化微生物和comammox生态位差异，分析comammox对硝化作用的相对贡献，探索轮作模式农田土壤中的主导硝化路径及其微生物学机制。项目的实施有助于深入了解农田土壤中氮素转化机制，为农田尺度氮素养分管理、面源污染防控及温室气体减排提供理论依据。

2015年底，可以进行一步硝化的comammox的发现颠覆了人们对硝化过程近百年的认知，并引出了一系列亟待解决的科学问题。本项目针对我国华北平原粮食主产区的农田土壤，研究了小麦-玉米、小麦-大豆、玉米-花生和玉米-毛叶苕子四种轮作模式土壤微生物（细菌、真菌和原生生物）群落组成以及硝化微生物群落多样性；同时进行微宇宙培养实验，基于稳定同位素核酸探针技术（DNA-SIP），耦合特异性硝化抑制剂，研究小麦-玉米和小麦-大豆两种轮作模式农田土壤活性硝化微生物组成及其对硝化过程的相对贡献。主要结果如下：（1）土壤化学性质，包括Olsen P、NO3--N、NH4+-N和pH等是影响土壤微生物的主要环境因子。通过构建细菌、真菌和原生生物之间的共生网络，真菌与原生生物之间通过物种间的协同作用形成了紧密的网络，而细菌与原生生物之间更多的是捕食或拮抗关系。细菌类群与真菌类群之间也存在正相关或负相关，这表明在轮作处理条件下土壤中细菌类群具有共同的生态位或竞争关系。（2）小麦-大豆和玉米-花生土壤的AOA/AOB群落多样性与小麦-玉米和玉米-毛叶苕子土壤的AOA/AOB群落多样性不同；不同轮作模式对comammox群落组成影响不显著。四种轮作农田土壤90%以上的AOB隶属于Notrosospira属，AOA在四种轮作土壤中主要隶属于Thaumarchaeota门，comammox在四种轮作土壤中均隶属于Nitrospira Clade A。RDA分析结果发现，NO3--N是影响AOB和AOA群落组成的主要土壤环境因子，NH4+-N、pH和AK是comammox群落组成的主要环境影响因子。（3）小麦-玉米和小麦大豆轮作农田土壤的主导活性硝化微生物分别是Nitrosospira AOB，Nitrososphaera AOA和Nitrosospira AOB，Nitrosocosmicus AOA，comammox没有表现出硝化活性，轮作土壤硝化作用80%是AOB主导完成。研究结果为深入研究土壤氮素循环，优化氮素管理，逐步探索农田土壤生态系统氮素循环及其与作物高产高效的偶联机制提供理论依据。