元素故事系列1：土壤团聚体的氮磷循环

发表期刊：Science of the Total Environment (IF=7.963)

发表时间：2021.4

样本类型：土壤

DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.147329

研究背景

土壤团聚体被认为是产生温室气体的生化反应器，为了阐明微生物在土壤团聚体中的作用及其对养分循环的贡献。本研究应用宏基因组学以及宏基因组binning重建微生物MAGs，研究了不同有机物质改良剂（牛粪和泥炭）和不同土壤团聚体大小影响的氮磷循环遗传机制。

实验设计

研究结果

01 、土壤团聚体的功能和物种α多样性，共生网络图

三个施肥处理之间理化性质中SOC，AP和硝态氮存在差异。用香农多样性指数表示的分类和功能微生物多样性在OM和PV处理下增加，在不同土壤团聚体大小中，微土壤团聚体的分类多样性在所有三个处理中最高（P<0.05；图1）。

图1 箱线图显示了各肥料处理下三个土壤团聚体粒级的分类（a）和功能（b）的α多样性

分类学多样性和功能多样性均与SOC、硝态氮显著相关。微生物组的分类多样性和功能多样性呈显著的正相关关系（图2）。共生网络图中的分类学和功能复杂性从CF处理到OM处理呈上升趋势，与土壤SOC和硝态氮呈正相关(P<0.001；图3)。

图2 土壤SOC（a，c）硝态氮（b，d）与三种肥料处理的物种和功能多样性的相关性，还有土壤物种和功能多样性之间的相关性（e）

图3 三个施肥处理（CF、OM、PV）构建的微生物共生网络的物种组成（a）和功能基因多样性（b）

主成分分析进一步表明，微生物组成和功能基因多样性和处理方式（CF）或土壤团聚体大小（OM，PV）有关；施肥处理和土壤团聚体大小解释了34.7%和24.5%的微生物组成变化，基因丰度变异率分别为15.7%和17.6%(图4)。

图4 物种多样性(a)和功能多样性(b)的PCA分析

02 、参与氮、磷循环的微生物基因簇

氮循环

本文得到了23个功能不同的基因预测参与了氮代谢。但是在所有样本中均未发现固氮基因(nifH、nifD和nifK)。OM和PV处理均显著降低了参与将硝态氮还原为铵(DNRA)的napA和nrfA基因的丰度（图6）。napA的存在与土壤化学参数(如硝态氮、SOC、WC和AP)呈负相关。在CF处理下，编码DNRA相关酶的napA和nrfA基因的丰度最高。napA和nrfA基因丰度与硝态氮含量均呈显著负相关（图7）。在OM处理下，pmoC-amoC的丰度显著降低。

在不同大小的土壤团聚体大小中，微土壤团聚体中nasB、nirK和pmoA-amoA的丰度最高（图5，6）。nasB和nirK是参与反硝化还原NO3-为NO的酶，而pmo-amo编码单加氧酶，催化甲烷氧化为甲醇（AMO）。

图5 氮循环相关功能基因，红色线表明丰度差异显著，a是不同肥料处理，b是不同土壤团聚体大小

图6 不同肥料处理（a）或不同土壤团聚体大小（b）的样本进行基因丰度分析

图7 氮循环相关基因与土壤化学性质的相关分析

磷循环

研究表明与无机磷溶解相关的gcd和ppx基因在所有宏基因组数据中占主导地位。无论施肥方式如何，gcd基因在超大土壤团聚体(P<0.05)和大土壤团聚体(P<0.01)中的相对丰度显著高于微土壤团聚体。与CF处理相比，OM和PV处理中ppx和ugpB的相对丰度显著升高（图8）。

图8 不同施肥处理（a）和土壤团聚体大小（b）下土壤磷循环相关基因的标准化丰度。

图9 磷循环相关基因与土壤化学性质的相关分析

03 、重建的MAGs正向驱动了营养循环

为了进一步表征土壤养分循环中的微生物及其遗传机制，作者利用宏基因组重建了11个适应氮和磷代谢的MAGs。其中3个几乎完整的基因组MAGs可归类为亚硝基球菌科（bin_CM3.5、bin_OM2.36和bin_OS1.15）（表1）。它们包含2到4个nirK基因拷贝和amoC、ureC的单个拷贝。3个MAGs的ANI值均小于95%，因此，这三个MAGs与亚硝基菌科不同科(图10)。

表1 MAGs的基因组特征总结

图10 通过122个标记基因的串联比对，对MAGs的全基因组系统发育树，红点表示本研究中重建的亚硝基球菌MAGs。

Bin_OL2.28属于硝化螺旋菌目，这是一种能够将亚硝酸氧化为硝酸的细菌群。该MAG与硝态氮呈显著正相关 (图11)。在PV处理下，超大土壤团聚体中亚硝基球菌科相关MAG的丰度最低（0.04±0.01%），在CF处理下，亚硝基球菌科相关MAG的丰度在（0.003±0.001%）大土壤团聚体中含量最低。大土壤团聚体和超大土壤团聚体中MAGs(bin_GS2.23除外)的相对丰度高于微土壤团聚体（图12）。这些MAGs(bin_OM3.19、bin_OL2.20、bin_OL2.28、bin_OM1.31)的相对丰度与硝态氮和AP呈显著且正相关（图11）。

图11 MAGs丰度与土壤化学性质的相关性

图12 各处理间的土壤团聚体大小的MAGs相对丰度

gcd基因编码一种介导无机磷溶解的酶，在所有样品中占主导地位。7个高质量的MAGs含有gcd，拷贝数从1到7不等。本研究找到了无机磷增溶性的基因（ppa和ppx）、有机磷矿化（phoD、phoN、phoR和phnP）以及P转运和调节因子（phoB、phoR、ugpB、ugpQ、pstA、pstB、pstC和pit）。含gcd的MAGs在几丁质噬壳菌科(bin_GS2.23)、环菌科(bin_OL3.8)和双菌科(bin_CL3.16)等6个科中。在OM和PV处理下，具有磷溶解性的MAGs遗传性增大（图13）。其中，氨基菌属(bin_OM3.19)和副氨基菌属(bin_OL2.20)的MAGs是鉴定土壤硝态氮和AP最重要的生物标志物。

图13 120个标记基因串联比对的细菌MAG全基因组系统发育树。红点表示本研究中重建的MAGs

综上所述，本研究应用宏基因组学和宏基因组binning重建MAGs研究了不同有机物质改良剂（牛粪和泥炭）和不同土壤团聚体大小下氮磷循环的遗传机制。得到不同肥料处理和不同土壤团聚体大小的微生物氮磷循环效果不同，添加有机材料改良剂可以增加微生物多样性，增强氮磷循环的遗传性。

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