设施蔬菜连作土壤氨氧化微生物对1,3-D熏蒸的响应规律

1,3-D fumigation could control soil-borne pests of protected vegetable and overcome the continuous cropping obstacles effectively, however, it could also affect the non-target soil microorganisms. Ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and archaea (AOA), whose activities reflecting the level of soil fertility and ecosystems, are important participants in the soil nitrogen cycle. Ascertaining the community structure and activity of ammonia-oxidizing microorganisms in continuous cropping soil to 1,3-D fumigation will correctly evaluate ecological selectivity of 1,3-D. Therefore, this project, with the subjects of 10 years continuous cropping soils in tomoto greenhouse, analyz the soil microbial community structure by means of terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE); find out the change of expression pattern of the ammonia monooxygenase gene (amoA) with quantitative real-time PCR (qPCR) and real-time reverse-transcriptase PCR (RT-qPCR); determine the laws of transcription regulation and discuss the relationship between the change of activity of ammonia-oxidizing microorganisms and 1,3-D fumigation with metatranscriptome analysis. The results of this project will reveal the response laws of ammonia-oxidizing microorganisms to 1,3-D fumigation, clarify the ecological selectivity of 1,3-D, offer a theoretical foundation to the scientific use of 1,3-D to replace methyl bromide as a soil disinfectant and guarantee sustainable development of greenhouse vegetable industry.

使用熏蒸剂1,3-D消毒土壤能够有效防治设施蔬菜土传病虫害和克服连作障碍，但会对非靶标微生物产生影响。氨氧化微生物（细菌和古菌）是土壤氮循环的重要参与者，其活性可反映土壤肥力和生态的优劣程度。探明1,3-D消毒对氨氧化微生物群落结构及活性的影响，可正确评价1,3-D的生态选择性。本项目以连续种植10年番茄的连作土壤为研究对象，采用T-RFLP和DGGE技术分析1,3-D消毒对连作土壤氨氧化微生物群落结构的影响；应用荧光定量PCR和反转录荧光定量PCR技术探讨1,3-D消毒对连作土壤氨氧化功能基因amoA表达特征的改变；结合宏转录组测序探明1,3-D消毒条件下氨氧化微生物的转录调控规律，分析氨氧化微生物活性变化与1,3-D消毒的关系。预期结果将揭示氨氧化微生物对1,3-D消毒的响应规律，明确1,3-D的生态选择性，为其替代甲基溴用于土壤消毒，保障设施蔬菜可持续生产提供理论依据。

使用熏蒸剂1,3-D消毒土壤能够有效防治设施蔬菜土传病虫害和克服连作障碍，但会对非靶标微生物产生影响。氨氧化微生物（细菌和古菌）是土壤氮循环的重要参与者，其活性可反映土壤肥力和生态的优劣程度。探明1,3-D消毒对氨氧化微生物群落结构及活性的影响，可正确评价1,3-D的生态选择性。本项目研究了1,3-D施用后土壤理化性质、酶活、细菌群落和氨氧化微生物的变化情况，结合qPCR与高通量测序探讨施用1,3-D熏蒸后对细菌和氨氧化微生物丰度和多样性的影响，并采用16S功能预测分析1,3-D影响氮素转化的微生物学机制。研究结果表明，1,3-D处理后土壤中铵态氮含量增加而硝态氮含量降低，说明土壤硝化作用受到抑制。1,3-D在短期内抑制土壤中脲酶和蛋白酶活性，随后两种酶活逐渐恢复，说明1,3-D对参与氮循环的脲酶和蛋白酶无长期影响。不同1,3-D剂量对土壤微生物有不同程度的抑制作用，施用1,3-D后能够显著降低土壤中的可培养细菌数量。qPCR分析表明施用1,3-D能够抑制土壤中的总细菌、氨氧化古菌和氨氧化细菌基因丰度，而在随后的取样中这些微生物的基因丰度逐渐恢复。施用1,3-D能够降低土壤中微生物的多样性，改变物种的相对丰度，并能够改变微生物的群落结构，其中微生物多样性及其群落结构与取样时间和1,3-D剂量关系密切。土壤中氮素转化相关酶的丰度随着1,3-D施用剂量和取样时间的改变而改变。在0、4、16 WAT取样中，施用1,3-D降低了土壤中氮转化相关酶的丰度，而在1、8、12 WAT取样中，施用1,3-D增加了氮素转化相关酶的丰度。其中反硝化相关酶丰度增加的速率高于氨单加氧酶丰度增加的速率，这也可以解释硝态氮含量下降的原因。本项目研究结果可为1,3-D环境安全评估提供理论依据，也为支撑其在我国获得农药登记提供技术支持。