氮营养策略对大豆根际微域氮转化过程的影响及作用机制

Microbial driving of nitrogen transformation is an important part in nitrogen biogeochemical cycle. Previous studies have been reported that a single process of nitrogen cycling, including nitrogen fixation, ammonium oxidation and detrification play a key role in nitrogen clycing of bulk soil. However, little information is availabe regarding the effects of nitrogen heterogeneity on dynamics of active microorganisms involved in nitrogen-cycling and co-occurence of these microbial communities in soybean rhizoshpere. Moreover, ecological associations among nitrogen cycling microbial communities, overall of nitrogen cycling pathways, and nitrogen functional genes remains largely elusive. Hence, the legum-rhizobia symbiotic system will be focused to solve above scientific problems with the comprehensive utilization of stable isotope probing, high-throughput quantitative PCR, and metagenomic technologies. This study will be performed with the following three objectives: (1) to explore the temporal dynamics of active microbial communities involved in nitrogen-cycling under different nitrogen fertilization strategies; (2) to investigate the occurrence and contribution of nitrogen cycling microbial communities in the rhizoshpere micro-habitat of soybean; (3) to elucidate the ecologial correlations between nitrogen functional gene groups and nitrogen transformation rates in the soybean rhizosphere. Overall, this work will provide novel insights into the mechanism of ecological associations between different pathway of nitrogen cycling in the soybean rhizosphere. In addition, the results are of important significance and will provide scientific evidences for nitrogen utilization in soybean agro-ecosystem of arid area.

微生物驱动的氮循环是生物地球化学生源要素循环中的重要环节。生物固氮、氨氧化和反硝化等单一的重要微生物生态过程在非根际土壤的氮循环过程中发挥了重要驱动作用。然而，氮营养的异质性是如何影响大豆根际微域中氮转化活性微生物群落的演变规律及其菌群网络关系？以及大豆根际微域中氮转化功能微生物、完整氮循环途径与氮转化功能基因之间存在何种生态关联？这些问题都有待回答。鉴于此，本项目以大豆-慢生根瘤菌共生体系为研究对象，综合应用稳定同位素示踪、高通量荧光定量PCR和宏基因组测序等技术手段，首先，研究不同氮源输入环境中大豆根际氮转化活性微生物群落的演替规律及其网络关系；其次，研究大豆根际微域中氮转化功能微生物的动态及对氮转化的相对贡献率；最后，研究根际氮转化速率与功能基因群的定量响应关系及生态联结性。旨在阐明各个氮循环途径在大豆根际微域中的生态偶联机制，为西北旱区大豆农田生态的减氮增效提供科学依据。

（1）明确了特定生态系统中总微生物与活性微生物的装配过程与功能特性.实验研究表明，微生物的活性与其在生态系统中的相对丰度并无直接关联，甚至部分稀有物种呈现出更高的潜在代谢活性。共发生网络及物种-生境关联分析共同表明微生物之间的协同关系决定了活性微生物群落的组成。此外，代谢通路以及定量PCR结果表明，反硝化、异化硝酸盐还原产铵以及厌氧氨氧化微生物共同主导了该特定生境中的氮素循环过程。.（2）阐明了稀有和丰富类群对特定生境中氮素循环过程的驱动作用.实验研究表明，丰富和稀有类群具有迥异的群落结构特征和功能特性，且微生物群落的组成主要受功能驱动而非群落本身。共发生网络结果表明，稀有物种在种间互作关系上具有更高的发生频率，然而其在营养互作方面，则具备更高的种内营养互作关系。结合qPCR结果，厌氧氨氧化过程，反硝化过程、硝化过程和生物固氮过程由丰富类群驱动，而稀有类群则驱动了同化硝酸盐还原和异化硝酸盐还原过程。.（3）揭示了氮营养策略影响大豆根际硝化微生物类群的机理.温室盆栽大豆的实验结果表明，长期施肥改变了土壤理化性质，土壤硝化潜势和作物产量。无机肥的施入可以显著提升土壤硝化潜势和作物产量，然而有机肥的施入则增强了土壤硝化微生物多样性。共发生网络及物种关联网络的结果表明，大豆根际土壤中，氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌群对于整个硝化过程具有显著的主导作用。最终施肥策略通过改变不同类群的硝化微生物的种内互作关系，影响了AOA、AOB、NOB和CMX微生物类群的种间关系、互作强度和作用方式。.（4）探明了施肥策略对大豆根际整体氮转化过程的影响.宏基因组研究结果表明，大豆根区土壤中的氮转化过程大致可以分为生物固氮、硝化、硝酸盐同化、异化硝酸盐产铵、反硝化和厌氧氨氧化等过程。上述大部分功能基因在根际土壤中的相对丰度均高于非根际土壤。此外，非根际和根际土壤中，无机肥和有机肥的投入对氮素转化过程有着不同的影响。.（5）初步探明大豆根际厌氧氨氧化和反硝化过程速率对不同施肥策略的响应. 15N稳定同位素示踪结果表明，无机施肥处理和有机施肥处理均改变了非根际和根际土壤中，反硝化过程和厌氧氨氧化过程的反应速率。在大豆农田土壤中，反硝化过程对土壤氮损失作出了主要的贡献；根际作为氮素反应过程的热区，在调控土壤氮素循环过程和降低氮素损失方面具有重要作用。