不同氮效率甘蔗品种对根际微生物群落结构和参与氮循环功能基因的影响

It is essential to reduce N fertilizer input and cultivation cost while achieving high yield and high sugar for of the sustainable and environmentally benign sugarcane production. However, little is known about the effects of different sugarcane varieties on rhizosphere nitrogen transformation microorganism communities. In the prior research, we have made clear that the total N, total P, rhizosphere microorganisms and pH of the used soil are import factors which will restrict the nitrogen efficiency of sugarcane, and significant difference was found in cultivars. Based on the previous study, the purposes of this present project are to assess the effects of different sugarcane cultivars on rhizosphere microorganisms’ community structures and the abundance of nitrogen functional genes in rhizosphere soil. The microbial community structure in the rhizosphere of sugarcane will be investigated by using PLFA. The biodiversity and abundance of nitrogen transformation microorganisms，such as nitrogen-fixing bacteria，ammonia oxidizing bacteria ( AOB) and denitrifying bacteria will be determined by llumina MiSeq Platform and quantitative PCR to analyze the four function genes, such as nifH, amoA and nirK. This study will provide a theoretical basis for the screening of different nitrogen efficiency sugarcane varieties with a microecological view. Together, this study will lay a biological foundation for development of low nitrogen input, efficient and sustainable sugarcane production in Guangxi.

生产上过高的氮肥投入已成为我国甘蔗产业发展的重要限制因子，减少氮肥施用量是甘蔗高效环保生产的根本要求。项目组前期研究表明，甘蔗的氮素效率受到品种、土壤营养元素、根际微生物以及pH值等环境因子的影响，不同品种间差异显著。然而，目前尚缺乏对甘蔗氮效率的差异机制、以及不同品种的根系微生物区系特性的深入了解。本项目拟在前期基础上，通过土壤磷脂脂肪酸（PLFA）分析和Illumina高通量测序技术，研究4个不同氮效率甘蔗品种分别在新植蔗、一年宿根蔗和两年宿根蔗拔节伸长期的根际微生物种群结构和多样性，同时利用实时荧光定量PCR技术，分析甘蔗根际参与氮循环3种主要功能基因（nifH、amoA和nirK）丰度的变化。通过探讨氮效率不同的甘蔗品种间根系微生态区系的差异、分析不同品种对参与土壤氮循环功能基因的影响，拟从微生态学角度挖掘甘蔗利用氮素的潜力，为甘蔗的低肥高效栽培以及氮高效品种选育提供参考。

我国甘蔗生产长期面临着种植成本过高，特别是施肥投入较高、肥料利用率偏低的困境。过高的氮肥投入已成为甘蔗产业发展的重要限制因子，选育和种植氮高效品种、提高化肥利用率是甘蔗高效环保生产的根本要求。但是，由于甘蔗遗传背景复杂，缺乏对甘蔗氮效率差异机制的深入了解，导致氮高效育种进展相对缓慢。土壤微生态调控是近年的主要研究热点之一。土壤肥力和环境生态与土壤微生物密切相关，多种类群的功能微生物参与驱动了氮素循环。大量研究表明，不同作物及品种间的差异，能够在根际微生态系统的动态变化特征中表现出来。为了探讨氮效率不同的甘蔗品种间根系微生态区系的差异，拟从微生态学角度挖掘甘蔗利用氮素的潜力，本项目对不同氮效率甘蔗品种的新植蔗、一年宿根蔗和两年宿根蔗开展连续多年的针对性研究，重点分析甘蔗大生长期的根际微生物种群结构和多样性，同时分析和比较了参与氮循环的3种主要功能基因（nifH、amoA和nirK）丰度的变化，比较不同处理间参与氮循环功能微生物群落的差异。研究结果显示：不同甘蔗品种根际土壤的理化性质及其根际微生物特性存在显著差异，而氮素利用率较高的甘蔗品种，其根际微生物的主要优势菌群结构以及氮循环相关微生物的多样性和丰富度指数都比较高，表明根际微生态区系的差异在一定程度上影响了甘蔗的氮素利用效率，具有维持甘蔗土壤良好微生态环境的品种的氮吸收率相对较高；土壤微生物群落与甘蔗氮吸收率以及土壤理化性质等环境因子相关性分析结果表明：对甘蔗氮吸收率以土壤微生物群落的影响最显著的是土壤碱解氮含量和土壤pH值。本项目的研究结果可为甘蔗的低肥高效栽培以及氮高效品种选育提供科学支持。