基于13C连续标记技术研究花生连作红壤中根际沉积碳的微生物转化机制

Continuous cropping obstacle is a complex problem that affects agricultural production for a long time. The formation mechanism and control of crop continuous cropping obstacle has been the research focus of scholars. To prove up the distribution and transformation mechanism of rhizodeposit carbon of continuous cropping peanut, is of great theoretical and practical significance for the effective prevention and control of crop continuous cropping obstacles and the scientific management of farmland ecosystem. This project intends to collect the soil samples from continuous cropping peanut in red soil region, and use the self-developed 13C-CO2 marking device to carry out the full closed and high abundance labeling test in different peanut growth period. By pot and incubation experiments with 13C tracer, modern molecular biology and bioinformatics methods, the dynamic changes of carbon content, composition and distribution in peanut rhizosphere will be studied; conversion rules of rhizodeposit carbon in soil under continuous cropping will be analysis; the relationship between soil microbial community and metabolic activity and rhizodeposit carbon conversion will be elucidated; the key microbial groups that dominant carbon conversion and their relative contributions will be clear. The results to be generated would reveal microbial mechanism of rhizodeposit carbon conversion in peanut continuous cropping red soils, and provide a scientific basis for deep understanding the mechanism of carbon cycle in crop-soil system and promoting the sustainable development of peanut industry in china.

连作障碍是长期以来困扰农业生产的复杂问题，作物连作障碍形成机理与防治一直是国内外学者研究的热点。探明花生连作条件下根际沉积碳的分布和转化过程机制，对有效防治作物连作障碍及实现农田生态系统科学管理具有重要的理论和实践意义。本项目拟选择红壤区花生连作不同年限的土壤样品，利用自主研制的13C-CO2标记装置，进行花生各生育期全封闭和高丰度的标记试验。通过盆栽及室内培育试验，结合13C示踪、现代分子生物学和生物信息学等手段，研究花生生长过程中根际沉积碳含量、组成和分配的动态变化，解析连作条件下土壤中根际沉积碳的转化规律，阐明土壤微生物群落及代谢活性与根际沉积碳生物转化的对应关系，明确主导根际沉积碳转化的关键功能微生物类群及其相对贡献。以期揭示花生连作红壤中根际沉积碳的微生物转化机制，为深入认识连作条件下作物-土壤系统碳循环过程机制和推动我国花生产业的可持续发展提供科学依据。

根际碳是土壤、微生物以及作物间进行物质交换、能量流动和信息传递的重要载体，是花生连作过程中土壤理化性质和微生物群落变化的重要驱动因子。探明花生连作条件下根际沉积碳的组成和微生物转化过程，对有效防治作物连作障碍及实现农田生态系统科学管理具有重要的理论和实践意义。本项目选择典型的连作花生红壤，通过田间采样分析，布置基于13C连续标记技术的温室盆栽试验，应用基于DNA-SIP的多组学技术和生态学模型，研究连作土壤中根际沉积碳的组成特性、根际沉积碳转运的微生物主导类群及功能变化，揭示花生连作红壤中根际沉积碳的微生物转化机制。结果表明，连作地中健康与发病花生根际土壤可溶性有机质和微生物群落结构存在明显差异。随着连作年限增加，花生根际土壤中细菌多样性和微生物的碳源代谢能力显著下降，但病原真菌并未出现持续富集。连作花生植株分配到地下部的光合碳比例减少，且根际沉积碳的化学多样性出现显著下降。变形菌（Proteobacteria）、放线菌（Actinobacteria）、绿弯菌（Chloroflexi）、芽单胞菌（Gemmatimonadetes）和酸杆菌（Acidobacteria）是参与花生根际沉积碳转化的主要活性微生物；其中植物有益菌例如根瘤菌目（Rhizobiales）、芽单胞菌属（Gemmatimonas）等在种植1年花生根际显著富集，而条件病原菌如伯克氏菌属（Burkholderia）等则在连作花生根际显著富集。连作花生根际活性功能微生物的多样性和功能尤其是有益于植物生长发育和植物健康的功能均出现了明显的下降，且活性微生物的多样性与功能和根际沉积碳化学多样性之间存在显著正相关。此外，根际沉积碳的转化过程与活性微生物的群落构建过程存在明显耦联；根际沉积碳的潜在转化与活性微生物的生物多样性之间均存在强烈正相关。田间试验联合盆栽试验表明，连作花生土壤中施用有机肥和黄腐酸均可以通过调控多种土壤微生物类群的结构和花生根际的代谢谱促进花生结瘤；室内培育实验结果表明，腐殖酸可以通过改变连作花生土壤的理化性质和微生物群落结构进而影响土壤生态功能，还可以通过促进有益真菌、抑制病原真菌促进土壤健康。本项目研究结果对于深入认识花生连作障碍发生的机理有重要意义。项目已累计发表SCI论文7篇，国内核心刊物论文5篇，培养毕业研究生4名，圆满完成了预期的各项目标。