用宏基因组学方法研究绿肥对水稻根际微生物磷循环功能基因的影响

  【目的】  绿肥对土壤微生物磷循环的影响受到研究者们的广泛关注，但绿肥影响土壤磷循环的微生物机理尚不明确。利用宏基因组学方法剖析长期绿肥还田对土壤磷循环功能微生物的影响，旨在阐明绿肥对土壤磷循环影响的微生物机理，为绿肥的科学利用提供依据。  【方法】  以中国湖南祁阳绿肥及稻草还田定位试验的水稻根际土为材料，利用宏基因组学方法，对土壤微生物DNA进行PE150 (双端读长150 bp) 宏基因组测序，使用MetaWRAP软件中的read_qc模块进行质控，用assembly模块megahit方法进行组装；基于组装的较长序列 (> 1000 bp) 使用Diamond软件的BLASTX和UniProtKB/SWISS-PROT数据库进行序列比对，根据磷活化 (磷酸酯矿化、膦酸酯矿化、无机磷溶解)、磷吸收 (膦酸酯运输、磷酸酯运输和无机磷酸盐运输) 和缺磷诱导响应调控三大类主要磷循环功能相关基因 (重点关注的64个磷循环功能基因) 进行筛选；再利用R语言进一步分析水稻根际土壤中磷循环功能基因相对丰度及其与土壤理化指标之间的关系，阐述绿肥对土壤磷循环功能微生物的影响。  【结果】  土壤pH等9个常规指标在有、无绿肥处理之间均无显著差异。无稻草还田时，绿肥处理对64个磷循环功能基因中的11个相对丰度影响显著，这11个基因广泛分布在除磷酸酯运输及无机磷溶解外的5个功能组中，其中phnA、phnN、phnV等3个基因相对丰度上升，phnI、phnL、glpB、glpO、pitA、phoA、phoP、phoU等8个基因相对丰度下降。而在稻草还田时，绿肥处理仅phnPP基因相对丰度显著降低。相关性分析显示，土壤pH与磷酸酶活性、无机磷溶解基因pqqB、pqqC 、pqqCD、pqq E、pqqF相对丰度呈显著负相关 (P < 0.05)；无机磷溶解pqqB、pqqC 、pqqCD、pqq E等4个基因相对丰度分别与有效磷含量、磷酸酶活性以及有机氮含量呈显著正相关 (P < 0.05)。冗余分析 (RDA) 结果表明，绿肥处理通过pH、AP以及磷酸酶活性影响磷循环功能基因。  【结论】  绿肥翻压下水稻根际微生物磷功能基因相对丰度深受稻草还田的影响。与单绿肥或单稻草还田相比，绿肥翻压基础上增加稻草还田对磷循环功能基因影响效果不明显，秸秆甚至减弱了绿肥对磷循环功能基因的影响，其原因可能是绿肥和稻草还田下不同微生物及不同磷循环功能基因之间存在激烈竞争。     

中低分子量腐殖酸提高冬小麦磷吸收和产量的机理

  【目的】  研究不同分子量腐殖酸与磷肥复合制备的腐殖酸磷肥对作物和土壤磷有效性的影响，为腐殖酸磷肥研发和磷素高效利用提供理论依据。  【方法】  利用超滤分级方法，将风化煤腐殖酸分子量分为 > 100 kDa、10～100 kDa和 < 10 kDa 3个部分，获得高 (HA_H)、中 (HA_M)、低 (HA_L) 不同分子量的腐殖酸，采用磷酸与KOH反应法制备普通磷肥 (P)、未分级腐殖酸磷肥 (PHA)、高分子量腐殖酸磷肥 (PHA_H)、中分子量腐殖酸磷肥 (PHA_M) 和低分子量腐殖酸磷肥 (PHA_L) 5种磷肥。采用深100 cm、内径25 cm的土柱进行冬小麦栽培试验，按等磷量原则，设置P、PHA、PHA_H、PHA_M、PHA_L 5个施磷处理，同时设置与4个施磷处理对应的等量腐殖酸处理 (HA、HA_H、HA_M、HA_L)，以不施磷肥为对照CK。测定小麦产量及产量构成因素、植株磷含量及不同层次土壤有效磷含量。  【结果】  1) 与CK相比，腐殖酸处理 (HA、HA_H、HA_M、HA_L) 小麦增产不明显。与普通磷肥相比，PHA、PHA_M和PHA_L处理产量显著提高了14.73%、18.84%、21.37% (P < 0.05)，3 个处理间产量差异不显著，PHA_H增产不明显。PHA_L处理千粒重显著高于普通磷肥处理，其余3个腐殖酸磷肥处理增幅未达显著水平。2) PHA、PHA_M和PHA_L处理籽粒吸磷量较普通磷肥处理分别显著提高14.97%、19.45%、22.68%，而PHA_H增幅未达显著水平；腐殖酸磷肥处理间秸秆吸磷量没有显著差异。3) 与普通磷肥相比，PHA、PHA_H、PHA_M、PHA_L磷肥偏生产力和农学效率分别提高14.71%、6.01%、18.82%、21.35%和14.95%、1.66%、20.18%、23.03%，磷肥表观利用率分别提高2.93、0.51、4.52、5.41个百分点，也以中、低分子量腐殖酸磷肥效果最为明显，腐殖酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳、烷基碳结构与小麦籽粒产量和磷肥利用率具有正相关性，与芳香碳、芳香C―O负相关。4) 4个腐殖酸磷肥处理间及其与普通磷肥处理间 0—20、20—40、40—60 cm 土层土壤有效磷含量差异不显著。  【结论】  田间土柱栽培条件下，单施腐殖酸对小麦没有表现出明显的增产效果。腐殖酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳、烷基碳结构与小麦磷素吸收具有正相关性，低分子量腐殖酸具有较多的烷基碳、氧烷基碳、羧基/酰胺基碳结构，因而低分子量腐殖酸提高磷肥中磷素利用率的作用好于中分子量腐殖酸，而高分子量腐殖酸的效果不显著。     

绿肥影响农田土传病害的研究进展

土传病害是制约我国农业可持续发展的因素之一。绿肥作为高效清洁的有机肥源,与主作物合理搭配,可有效降低主作物土传病害的发生和危害,是减少化学药剂使用的重要措施。因此,综述绿肥对土传病害的防控效果与机制,对于绿肥推广应用和土传病害绿色防控具有重要意义。绿肥影响作物土传病害的研究主要集中于土传真菌病害和线虫病害,且大多数研究表明,绿肥可通过增强主作物整体抗病水平,对病原菌的化感抑制作用和改善土壤理化性质,增加土壤微生物中拮抗菌多样性和丰富度等,显著降低主作物土传病害发病率和严重程度。然而,绿肥影响主作物病害的作用机制研究不够深入,绿肥-主作物搭配模式和绿肥调控主作物病害的社会经济学效益仍需探究。同时,加强绿肥-主作物病害一体化防控及绿肥与根际促生菌、生防菌等其他有机改良剂或与适当的化学防控措施之间协同作用的研究,是未来需要加强的研究方向。     

促进堆肥二次发酵真菌在堆肥中的应用效果

【目的】二次发酵是实现鸡粪等养殖废弃物功能价值提高的关键阶段,本研究旨在将前期筛选得到的真菌应用于鸡粪堆肥的二次发酵阶段,探讨其促进二次发酵的效果并对其进行鉴定,为今后鸡粪的高值化与资源化利用提供理论依据和支撑。【方法】以鸡粪一次发酵产物为原料,添加实验室前期筛选的2株真菌（分别为FCM1和FCM3）进行二次发酵试验。共设置3个处理,分别为对照CK：原料中加入1%（体积L∶干物质量kg）无菌液体培养基;F1：原料中加入1% FCM1菌液;F3：原料中加入1% FCM3菌液。在二次发酵的不同时期,分析测定堆体温度、pH、电导率（EC）、铵态氮、硝态氮、种子发芽指数以及腐殖酸等指标。【结果】与对照相比,添加真菌主要促进了二次发酵阶段快速升温和腐殖化过程快速进行。与未接菌处理相比,真菌FCM3使堆料提前8 d进入升温期,真菌FCM1效果不佳,且在一定程度上延后了鸡粪堆肥的二次发酵。F3处理高温阶段（>50℃）持续了13 d,堆料的GI比对照处理提前25 d达到80%,且腐殖化程度较高（PHA=74.58%,PHA：胡敏酸/总腐殖酸）。相关分析表明,GI与pH、PHA显著正相关,与EC显著负相关。经形态和ITS rDNA测序等方法鉴定,FCM3为链格孢菌。【结论】真菌FCM3能够在一定程度上促进鸡粪堆肥二次发酵的进行,提高堆料的腐殖化程度。     

聚合物包膜控释肥料膜壳累积、降解及对土壤质量影响的研究进展

聚合物包膜控释肥料是实现化肥提质增效的新型肥料之一,其控释效果依赖于包膜材料。控释肥料养分释放后的残留膜壳是农业土地上微塑料的重要来源,膜壳及其降解产物是否对土壤质量安全造成影响尚不清楚。本文综合了国内外膜壳残留及其降解的研究进展,从聚合物包膜控释肥料残留膜壳在农田中的累积现状、降解性能研究及其对土壤物理–化学–生物学效应等土壤质量参数的影响进行了阐述,包括:1)现有文献指出,控释肥料膜壳在农田中的累积量与施用量基本相同,其在不同类型农田土壤及不同土层中的赋存、分布和累积现状不同;2)不同类型控释肥料膜壳在土壤中的降解过程主要与聚合物材质相关,降解率可通过聚合物材料改性来提高,其降解过程、产物及机制值得探索;3)控释肥料膜壳降解产物对土壤物理、化学、生物学性状及作物生长的影响程度取决于聚合物材料类型、累积量及土壤类型。短期内低浓度的膜壳累积对土壤理化性质、土壤生物及作物生长无不良影响,长期累积或高浓度下膜壳影响土壤质量变化的阈值亟需明确。据此,进一步提出,1)应广泛开展不同种类控释肥料膜壳在农田中的赋存、分布和累积的现场监测评估工作;2)开发控释肥料膜壳及其次级降解物分离提取、鉴定和定量表征的分析技术和方法,建立健全标准化方法;3)了解控释肥料膜壳及其降解产物在土壤中的去向和迁移过程及其对不同类型土壤及不同作物品种的影响,探寻膜壳残留量与效应之间的关系及其影响机制;4)研制开发天然、生物及可降解控释肥料膜材,研究膜壳降解与养分释放之间的相互关系,构建新型可生物降解控释肥料膜壳降解与养分释放关系数据模型,以期为聚合物包膜控释肥料的应用、开发及标准的制定提供科学依据。     

海藻酸增效复合肥料减施的黄瓜肥料效应

化肥减施增效可助力农业绿色发展,通过探究新型海藻酸增效复合肥料及减施处理对黄瓜生长发育的影响,以期为新型增效复合肥料产品的改进和推广应用提供参考。开展温室大棚试验,设置不施肥对照、常规复合肥料、增效复合肥料、常规复合肥料减量20%和增效复合肥料减量20% 5个试验处理。结果表明:(1)与常规复合肥料处理相比,增效复合肥料处理能够增加黄瓜苗期、坐果期、盛果期和末果期的株高和叶面积指数。增效复合肥料处理的黄瓜苗期、坐果期、盛果期和末果期的叶面积指数分别增加了16.3%、8.2%、10.2%和5.7%,增效复合肥料减量20%处理的黄瓜苗期、坐果期、盛果期和末果期的叶面积指数分别增加了4.7%、0.9%、2.9%和0.4%。(2)增效复合肥料处理的地下部干物质量、地上部干物质量和果实干物质量比常规复合肥料处理分别增加了9.8%、12.6%和17.7%,增效复合肥料减量20%处理的黄瓜地上部干物质量和果实干物质量比常规复合肥料处理分别增加了4.8%和10.8%。(3)增效复合肥料处理的黄瓜与常规复合肥料处理相比,其地下部、地上部和果实氮含量分别增加了16.6%、17.3%和12.7%,黄瓜地下部、地上部和果实磷含量分别增加了24.3%、45.4%和22.4%,黄瓜地下部、地上部和果实钾含量分别增加了45.8%、45.7%和28.9%。(4)与常规复合肥料处理相比,增效复合肥料处理的黄瓜产量增加了11.1%,在各处理中,增效复合肥料的黄瓜瓜条数和单果重为最高。(5)与常规复合肥料相比,增效复合肥料和增效复合肥料减量20%处理的维生素C含量分别增加了9.5%和2.2%。硝态氮含量分别降低了23.8%和25.1%。综合考虑作物养分吸收状况、产量和作物品质,增效复合肥料的作用效果最好,其次为增效复合肥料减量20%处理,这说明,增效复合肥料减量处理能够实现黄瓜提质增产,在黄瓜中的推广应用具有较好的前景。     

毛叶苕子磷饥饿响应基因VvPHR1的克隆及功能研究

【目的】磷饥饿响应因子PHR (phosphate starvation response)在植物根系发育和磷养分吸收中起重要作用,本研究主要阐明毛叶苕子VvPHR1基因生物学功能,为培育磷高效型绿肥作物提供理论依据。【方法】通过转录组测序获得毛叶苕子VvPHR1基因序列。采用酵母单杂交方法验证VvPHR1基因的转录激活功能,构建其过表达载体,利用花粉管通道法分别遗传转化野生型和突变体(Atphr1)拟南芥,获得超量表达VvPHR1基因和突变体功能回补转基因材料。对正常磷(1 mmol/L Pi)和低磷(1μmol/L Pi)的培养基中生长30天的拟南芥取样,采用实时荧光定量PCR对野生型和转基因拟南芥中VvPHR1及下游磷转运基因的表达进行分析,并对转基因材料进行表型分析,测定其主根长、鲜重、总磷及无机磷(phosphate,Pi)含量。【结果】毛叶苕子转录组中有13个PHR基因,转录本129590、96227、120424与拟南芥的PHR1相似度最高,其中转录本120424在低磷诱导下表达量最高,将该转录本命名为VvPHR1基因。该基因cDNA全长1008 bp,编码335个氨基酸...     

我国新型肥料产业发展战略研究

肥料产业服务于农业生产,尿素、磷铵、氯化钾和复合肥等传统化肥产品的大量投入对保障粮食安全发挥了至关重要的作用。随着我国农业发展方式从资源消耗型向绿色可持续型转变,发展新型高效肥料产业,提升肥料产品对粮食安全与生态环境安全的协同保障作用,是现阶段国家农业绿色发展的一个关键举措。新型肥料类型主要有缓/控释肥料、增值肥料、水溶肥料、商品有机肥、微生物肥料等,相比于常规施肥,施用新型肥料普遍能够提高作物产量和养分利用效率,增产率范围为4.6%～17.5%,氮肥利用率提高16.8%～52.3%,农田土壤氨挥发损失量可降低7.2%～50.7%,N₂O排放降低8.1%～40.8%,氮淋溶损失降低16.5%～43.8%,氮径流损失降低22.1%～45.4%。经过几十年的跟踪和创新,我国新型肥料形成了产业化,新型肥料总产量已位居世界前列。但由于新型肥料产业起步晚,几乎所有类型的新型肥料生产均存在原创核心技术缺乏,产品特性与农业需求匹配性不高,施肥技术和装备发展滞后,以及监管体系薄弱等问题。为推动新阶段新型肥料产业结构绿色高效转型升级,未来我国的新型肥料产业发展战略核心包括以下4个方面:1) 以农业需求为导向,提升肥料产品与生产需求的匹配度;2) 肥料增效技术由注重养分供给向土壤环境、作物吸收和有效供给综合调控发展,肥料增效材料向高效、环保和价廉方向发展,肥料产品向营养、土壤改良和抗逆等多功能发展;3) 注重最大限度地利用资源,降低能耗,通过大型肥料生产设备的优化和改造,力争实现新型肥料由二次加工到一次生产的突破,实现新型肥料生产的绿色低碳转型;4) 建立健全肥料生产、销售和使用全链条监管体系,保障新型肥料产业的高质量健康发展。     

养分专家系统结合微生物菌剂在大豆上的应用效果

为优化大豆养分管理措施,在河南省周口市和黑龙江省哈尔滨市开展田间试验,研究养分专家系统结合微生物菌剂在大豆减肥增效中的应用效果。试验包括基于大豆养分专家系统推荐施肥量(NE)、70% NE(NE基础上减N 30%,NR)、70% NE+促生菌剂(RP)、70% NE+根瘤菌(RR)、70% NE+促生菌剂+根瘤菌(RPR)5个处理。结果表明,与NE处理相比,单纯减氮30%(NR)的大豆产量降低了14.4%～23.3%,植株氮、磷吸收量在两个试验地分别减少了15.0%～16.8%、16.7%～26.9%。NE推荐施肥量减氮30%配施促生菌和根瘤菌处理(RPR)产量最高,在哈尔滨试验田与NE处理产量相似,在周口试验田较NE处理增产40.9%。相对于NR处理,周口试验田RP和RR处理产量分别提高了7.2%和32.4%,哈尔滨RP和RR处理分别提高了12.9%和6.2%。不同处理对土壤铵态氮无显著影响,RR处理土壤硝态氮较NE处理降低了24.1%～34.4%,周口试验田RPR处理的土壤有效磷和哈尔滨RPR处理的速效钾分别较NE处理提高了89.8%和37.5%。总之,养分专家系统结合微生物菌剂可以增加土壤有效磷钾养分,促进大豆的养分吸收和产量,在保障大豆高产条件下进一步实现减肥增效。     

激光剥蚀–电感耦合等离子体质谱分析缺锌胁迫玉米根尖微量元素空间分布

【目的】激光剥蚀?电感耦合等离子体质谱 (laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry,LA-ICP-MS) 法是一种利用聚焦激光扫描激发固体样品,并经电感耦合等离子体质谱离子化,以分析样品元素含量及分布的新兴技术。本文利用LA-ICP-MS技术研究缺锌 (Zn) 胁迫下玉米根尖铁 (Fe)、锰 (Mn)、铜 (Cu)、Zn元素的分布定位,以期从组织水平揭示作物中Zn的转运富集规律及缺Zn对微量金属元素吸收转运的影响。【方法】以玉米‘郑单958’为试材,用不同加锌浓度营养液进行培养,获得根系样品烘干后磨碎、混匀、压片,取适量混匀的根系样品消煮,利用液体进样系统ICP-MS检测得到样品中实际元素含量,并与样品压片LA-ICP-MS检测信号值间进行线性回归分析,标准曲线相关性良好 (R2 = 0.9995),从而获得可适用于LA-ICP-MS定量分析的自制根系标准样品。将此标准样品与待测根尖样品放入LA样品池中,13C作为内标元素,进行缺锌胁迫下玉米根尖中锌元素分布特征的定量成像研究。【结果】缺锌胁迫下玉米根系锌元素含量显著降低,仅为正常植株的27.78%;缺锌根系中Mn和Cu含量升高。LA-ICP-MS系统定量成像显示,玉米根尖顶端Zn含量较高,由表皮向内锌含量逐渐增加;缺Zn处理根系Zn含量降低,根尖顶端Zn分布明显减少。利用LA-ICP-MS检测信号强度值对Fe、Mn、Cu元素进行定性分布,成像显示在正常根系中Fe、Mn、Cu元素在根尖前端信号强度较高,由表向内逐渐增加;缺锌处理下,根系中Fe、Mn、Cu信号强度均有不同程度增加。【结论】正常施锌玉米根尖中锌、铁、锰、铜分布呈现由表皮向中柱增加的趋势;缺锌胁迫下根系锌含量显著降低,铁、锰、铜均有不同程度积累。