基于宏基因组学分析施磷条件下根际微生物对土壤氮磷的调控机制

The effect of rhizosphere microorganisms on soil nutrient utilization efficiency and crop productivity is well-known. Previous studies have shown that phosphorus application can enhance the activation of nitrogen and phosphorus in crop rhizospheres so as to regulate the loss and enrichment of nitrogen and phosphorus in the soil. However, the synergistic mechanisms between rhizosphere microbes and nitrogen and phosphorus nutrient use efficiency in soil are still unclear. This study, to be carried out in the purple soil slope lands of the Three Gorges Reservoir Area, proposes to use metagenomic analysis to better understand the regulation mechanism of soil nutrients by rhizosphere microorganisms, the dynamic changes in rhizosphere microbial communities under different phosphorus application levels. In addition, bioinformatic methods will be used to explore the functional genes of the most abundant microbial populations that are involved in nitrogen and phosphorus use. Strains of microbes with potential applications will be isolated. Finally, the key genes involved in nitrogen and phosphorus regulation in soil will be cloned and verified. The results of the study will reveal the synergistic response mechanisms of rhizosphere microbes on soil nitrogen and phosphorus in purple soil slope land, and a basis for the promotion of beneficial soil microbial strains.

根际微生物对土壤养分利用效率和作物生产力的影响不言而喻。前期研究表明，施磷可以提升作物根际土壤氮磷活化、调控根际土壤氮磷损耗与富集，但是根际微生物与土壤氮磷养分利用效率之间的协同机制尚不明确。本研究以三峡库区紫色土坡耕地为研究对象，拟采用宏基因组学研究手段对不同施磷条件下根际微生物群落的动态变化进行评价，并采用生物信息学手段发掘参与土壤氮磷养分利用的优势根际微生物种群和相关功能基因，进而分离获得具有应用潜力的微生物菌株，最终克隆并验证参与土壤氮磷调控的关键基因。从而明确施磷条件下紫色土坡耕地根际微生物对土壤氮磷的协同响应机制，同时为土壤有益微生物菌株的推广提供依据。

根际微生物对土壤养分利用效率和作物生产力的影响不言而喻。优化磷肥施用，充分挖掘根际微生物的生物学潜力是减少磷肥投入、提高磷肥利用效率、保证作物产量和实现农业可持续发展的一个重要途径。三峡库区紫色土坡耕地土壤结构复杂，极易受到地表径流和地表侵蚀的影响，由此产生的土壤流失和养分流失是导致三峡库区面源污染的主要原因，严重影响了当地的粮食安全和生态环境安全。本研究以三峡库区紫色土坡耕地为研究对象，采用宏基因组学手段探究施磷对紫色土坡耕地根际微生物群落结构的影响。在榨菜-玉米轮作体系下，根际细菌群落的丰富度高于真菌群落，且施磷差异对玉米根际微生物群落结构组成的影响显著大于榨菜。在玉米4个生长期中，微生物群落结构组成受施磷水平和生长阶段的强烈影响：优化施磷处理显著提高了Chloroflexi、Bacteroidota、Mycobacterium、Actinospica和Acidothermus等细菌类群的相对丰度；而真菌群落变化相对较小。冗余分析结果表明，土壤总氮和pH分别是细菌和真菌群落结构变化的主要驱动因子。互作网络分析表明，不同施磷处理中关键类群的差异可能直接或间接的影响了微生物互作网络的复杂性和适应性。此外，不同施磷水平和生长时期都显著影响了phoD和pqqC基因丰度和群落多样性。土壤AN和NH4-N分别与含phoD和pqqC基因的细菌群落结构显著相关。假单胞菌属（Pseudomonas）作为解磷细菌互作网络中的关键类群，可能提高了其群落结构对外界土壤环境变化的抵抗力，从而有助于缓解磷缺乏压力。综上所述，优化施磷处理下玉米根际在特定生长阶段会招募一些有益微生物从而有助于缓解磷缺乏。以上结果为了解根际微生物在磷循环中的生物学潜力，提高磷肥利用效率提供科学理论依据。后续将采用多组学关联技术继续开展不同施磷水平下玉米根系性状及分泌物在重塑根际微生物群落过程中的分子响应机理，同时通过人工构建核心功能菌群的方式优化库区紫色土坡耕地作物生长过程中的磷肥利用效率。