豆禾轮作体系中根际沉积N对氮循环微生物多样性与功能基因表达的响应

Legume-gramineae rotation system offers world’s major grain-producing countries a practical way to solve food security issues, improving the efficiency of resource use and increase crop yield while reducing the synthetic nitrogen fertilizer. Rhizodeposition N of legumes plays a foundational role in N effect in legume-gramineae rotation system. To be specific, it not only determine the magnitude of N effects, but also is closely related to nitrogen-fixing microorganism dynamic and the expression of nitrogen fixation functional genes. Base on the previous work of NSFC project,the techniques of 15N labeling are applied to interpret the transportion and distribution of rhizodeposition N among soil, plant, and microbiology in the legume-gramineae rotation system. Similarly, the diversity and activity of nitrogen-fixing bacteria of the rotation system can be investigated by utilizing the techniques of denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analysis, reverse transcription and polymerase chain reaction (RT-PCR), DNA-based stable isotope probing，and quantitative PCR (Q-PCR).This research can reveal the effect of N rhizodeposition under the legume-gramineae rotation system and influnce nitrogen-fixing bacteria diversity and expression of functional genes. The results of this study are the fundemental theory applied to increase produciton and ecological benefit in legume-gramineae rotation system.Furthermore, it can serve as theoretical direction and technology support to mine the potential ability of biological nitrogen fixation and establish an environmental friendly N utilization system

豆科作物与禾本科作物轮作是世界粮食主产国保障粮食安全，提高资源利用效率，减少化肥依赖的重要途径。根际沉积N是豆禾轮作N效应的养分基础，根际沉积N的大小既反映轮作N效应的大小，又与氮循环微生物多样性与功能基因表达密切相关。在“豆科与禾本科间混作根际C、N沉积效应及其对根际微生物多样性的作用机制”工作的基础上，本研究应用15N茎秆饲喂双标记同位素示踪分析技术和变性梯度凝胶电泳技术（DGGE），结合RT-PCR（反转录与cDNA聚合酶链式扩增相结合）技术、DNA-SIP（稳定性同位素核酸探针）与Q-PCR（实时定量PCR）技术研究根际沉积N在豆科作物与禾本科作物轮作系统运转与分配，豆科作物与禾本科作物轮作对氮循环微生物多样性与活性的影响。明确根际沉积N在豆科作物与禾本科作物轮作系统中作用，研究结果为挖掘生物固氮潜力、提高氮素利用效率、建立环境友好型的氮素利用体系提供理论与技术支撑。

豆科作物与禾本科作物轮作是可持续农业的重要技术,也是我国传统农业的精华。利用豆科作物与禾本科作物轮作对于减少农业生产对化学氮肥与农药的依赖、保护农田生物多样性、提高资源利用效率等有重要意义。本项目利用15N同位素示踪技术研究豆科作物与禾本科作物轮作的根际沉积氮效应及其在轮作系统内的转移、运输与分配，并结合分子生物学技术揭示豆禾轮作系统中氮循环相关微生物多样性与功能基因表达的调控机制。结果表明：在华北平原，花生、大豆、绿豆和红豆的根际沉积氮量分别为25、51、20和63 kg N ha-1。豆科作物根际沉积氮量与根系生物量、根系含氮量均呈显著的正相关关系，1 g根系生物量大约相当于53 mg根系沉积氮量，1 g根系含氮量相当于3.4 g根系沉积氮量。结合本研究数据和文献报道，豆科作物（包括籽粒和饲料豆科作物）的平均根际沉积氮量为83 kg N ha‐1（样本量=75），其中四分之一被后茬禾本科作物利用。豆科作物显著影响了与之轮作禾本科作物生育期内土壤细菌与真菌的多样性和丰度。当前茬作物为大豆与花生时，不论是冬小麦的返青期还是灌浆期，土壤细菌16S rDNA基因拷贝数与真菌ITS基因拷贝数均显著高于前茬作物为玉米。长期定位试验结果表明，春花生→冬小麦-夏玉米两年三熟土壤氨氧化古菌和氨氧化细菌amoA基因以及反硝化细菌nirS、nirK和nosZ基因丰度均显著低于冬小麦-夏玉米一年两熟。进一步研究表明，有豆科作物参与的多样化轮作体系土壤固氮微生物群落结构更稳定，并且土壤全氮和速效磷是造成固氮微生物群落结构变化的重要驱动因子。在多样化轮作系统中引入豆科作物显著降低了玉米季土壤硝化潜势。土壤硝化潜势与氨氧化古菌amoA基因丰度显著正相关，与氨氧化细菌amoA基因丰度无显著相关关系。上述研究结果揭示了豆科作物与禾本科作物轮作增产增效的理论机制，为挖掘生物固氮潜力、提高氮素利用效率、建立环境友好型的氮素利用体系提供理论指导与技术支撑。