模拟干湿交替对水稻土古菌群落结构的影响

干湿交替是自然界普遍存在的现象,但长期以来由于技术的限制,复杂土壤中微生物对水分变化的响应规律仍不清楚。针对我国江苏常熟湖泊底泥发育的典型水稻土,在室内开展湿润-风干以及风干-湿润各三次循环,每次循环中湿润、风干状态各维持7d,利用微生物核糖体rRNA的通用引物进行PCR扩增,通过高通量测序分析土壤古菌多样性变化,同时结合实时荧光定量PCR技术,在DNA和RNA水平研究古菌数量对干湿交替过程的响应规律。结果表明:水稻土湿润-风干过程中,在DNA水平土壤古菌数量降幅约为149倍~468倍,而在RNA水平降幅最高仅为2.06倍;水稻土风干-湿润过程中,在DNA水平古菌数量增幅在147倍~360倍之间,而在RNA水平增幅最高仅为2.95倍。表明在干湿交替过程中,DNA水平的古菌16S rRNA基因数量变化远高于RNA水平。基于高通量测序多样性的结果表明,在DNA和RNA水平,湿润土壤3次风干、以及风干土壤3次加水湿润7d恢复后,土壤古菌群落结构均发生统计显著性改变。在微生物门、纲、目、科和属的不同分类水平下,水稻土古菌主要包括3、10、13、14、10种不同的类群,在RNA和DNA水平的结果基本一致。干湿交替导致部分古菌类群发生显著变化,其中在微生物分类学目水平发生显著变化的古菌最高达到6种,主要包括产甲烷古菌和氨氧化古菌,如Methanobacteriales、Methanosarcinales、Methanomicrobiales和Nitrososphaerales等。这些研究结果表明,反复的干湿交替并未显著改变水稻土中古菌的主要类群组成,古菌类群的绝对数量和相对丰度发生了一定程度的变化,但这些变化与微生物生理作用的联系仍需进一步研究;风干土壤中古菌RNA序列极可能来自于完整的古菌细胞,暗示了这些古菌细胞能够较好地适应水稻土中水分的剧烈变化,风干状态的土壤在一定程度也可用于土壤古菌群落组成研究。     

围垦植稻对崇明东滩湿地产甲烷微生物的影响

滨海湿地是CH4排放的重要自然源,受人类活动的影响较为强烈。本研究选择长江入海口崇明东滩自然湿地(光滩湿地和芦苇湿地)为对照,以空间代替时间变化,比较研究不同围垦年限(27、51、86年)的稻田耕作土壤产甲烷速率演替规律及其微生物数量变异特征。结果表明,围垦稻田的产甲烷速率平均值为13.8ngCH4 g-1 d-1,是自然滩涂湿地的3.3倍,且随着围垦年限增加而显著增加。围垦稻田中产甲烷菌的mcrA基因拷贝数为1.101×108~1.443×108copies g-1,也随围垦年限增长而增加,比光滩湿地中的基因拷贝数高出一个数量级。光滩湿地产甲烷菌的相对丰度显著低于芦苇湿地和围垦稻田,围垦稻田中相对丰度值随围垦年限增长而显著增加。其中,H2/CO2营养型产甲烷菌的相对丰度随内陆方向和围垦年限增长而数量级水平增加,而甲基营养型产甲烷菌的相对丰度在光滩中最高,随内陆方向和围垦年限增长而数量级水平减小。各采样点中的乙酸营养型产甲烷菌相对丰度同处于一个数量级,其在3个围垦稻田中没有显著差异。相关性分析表明,产甲烷速率与H2/CO2营养型产甲烷菌丰度值呈显著正相关,而与甲基营养型产甲烷菌呈显著负相关。因此,围垦种稻的熟土作用促进了滨海湿地甲烷产生过程,H2/CO2营养型产甲烷菌数量的大幅增加是产甲烷速率升高的主控因素之一。     

前茬季节稻草还田时间对稻田CH_4排放的影响

通过盆栽试验研究了前茬季节稻草还田时间对稻田CH4排放的影响。与前茬季节前施用稻草(稻草早)相比,水稻移栽前施用稻草(稻草晚)的处理CH4排放量增加了3.04(1996年)和7.12(1997年)倍。稻草还田时间还明显影响CH4排放和土壤Eh的季节变化。稻草晚处理土壤Eh在整个水稻生长期皆处于适宜CH4产生的水平,所以整个水稻生长期皆有CH4排放(经历烤田后例外),而稻草早处理水稻移栽42d后土壤Eh才降为负值,在此期间几乎没有CH4排放。     

水稻根系内生细菌对未来大气CO2浓度升高的响应

针对中国FACE（Free Air CO2 Enrichment）平台的镇籼96、扬稻8号、II优084和扬两优6号四种水稻品种,采用新一代高通量测序技术,研究了水稻根系内生菌的整体微生物群落对未来大气CO2浓度升高的响应。结果表明,水稻内生菌群落中γ-变形菌纲的肠杆菌科相对丰度最高,占整体微生物群落的30.8%~59.8%。对于镇籼96、扬稻8号和II优084三种水稻品种,大气CO2浓度升高可能抑制了数量上占优势的微生物菌群（优势菌群）生长,而促进了数量上不占优势的微生物菌群（稀少菌群）繁殖。例如,对于II优084品种,相对丰度高于14.6%的4种水稻内生菌为肠杆菌科、假单胞菌科、黄单胞菌科和气单胞菌科,大气CO2浓度升高,这些优势菌群的相对丰度由74.8%降为67.2%;相反,稀少菌群主要由鞘脂杆菌科、丛毛单胞菌科、黄杆菌科及草酸杆菌科组成,其相对丰度则由4.13%增至16.9%,其中,与对照处理相比,鞘脂杆菌科相对丰度增加比例高达344倍,是大气CO2浓度升高的最敏感微生物类群。但对于水稻品种扬两优6号,根系内生菌对大气CO2浓度升高的响应模式与其他它三种品种不完全一致。这些研究结果表明,微生物的相对丰度可能是影响水稻根系内生菌对大气CO2浓度升高响应的重要因素,为研究全球变化下整体微生物结构与功能的演变规律提供了一定的依据。     

大气CO2浓度升高对稻田根际土壤甲烷氧化细菌丰度的影响

甲烷氧化细菌是目前已知的稻田甲烷氧化唯一生物,在减少稻田甲烷排放、降低大气甲烷浓度方面发挥着重要作用.利用中国稻/麦轮作FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)试验平台,采用实时荧光定量PCR技术,研究了大气CO2浓度升高下,典型水稻生长期根际土壤甲烷氧化细菌数量的变化规律,及其对不同施肥处理(高氮HN和常氮LN)的响应.2009和2010连续2a的观测结果表明,大气CO2浓度升高促进了2009年秧苗期和分蘖期,2010年秧苗期、拔节期和灌浆期甲烷氧化细菌的生长;并可能对2010年常氮条件下成熟期甲烷氧化细菌产生了较显著(P＜0.1)抑制;进一步针对甲烷氧化细菌主要类群的分析表明,高氮条件下大气CO2浓度升高提高了稻田根际土壤中Ⅰ型甲烷氧化细菌的丰度.     

土地利用方式对万木林土壤氨氧化微生物丰度的影响

以我国亚热带地区典型花岗岩发育酸性红壤为研究对象,选取福建建瓯万木林自然保护区封禁保护下5种自然植被和1种人工种植植被土壤,采用荧光实时定量PCR(Real-time PCR)技术测定了土壤氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的群落丰度,采用15N稳定同位素成对标记和数值模型相结合的方法测定了土壤初级硝化速率。结果显示,长期封禁保护下的自然植被土壤pH低,土壤AOB数量偏低。人为种植和管理显著提高了土壤pH,促进了AOB的生长,其丰度比自然条件下提高了2个数量级,土壤初级硝化速率也显著提高,并与AOB数量存在显著的相关性,表明AOB是硝化作用的主要贡献者。5种自然植被条件下AOA的amoA基因拷贝数占泉古菌16S rRNA基因的比例都小于1%(0.01%～0.64%),在农业利用方式下上升到5.32%,表明并非所有泉古菌都具备氨氧化功能基因amoA,氮肥施用可能促进了氨氧化古菌的生长。     

土壤氨氧化古菌适应酸性胁迫的ATPase基因分子进化研究

摘 要：分子生态研究发现,中性/碱性土壤中常见的氨氧化古菌DNA序列也存在于pH酸性土壤中,我们最近的研究发现中性氨氧化古菌可能通过V-ATPase适应性进化获得了耐酸或嗜酸生理生长能力。但这一现象是否具有普适性,尚不清楚。针对5个不同种植年限的马尾松人工林酸性土壤（15年、24年、45年、55年、63年）为研究对象,通过深度宏基因组测序获得7360亿碱基对,重构了氨氧化古菌AOA氨单加氧酶amoA基因和ATPase基因,研究了不同生态型氨氧化古菌AOA的嗜酸机制。结果表明,基于amoA基因的系统发育分析发现,AOA主要包括嗜酸Ca. Nitrosotaleales生态型、中碱性Nitrososphaerales生态型。所有酸性森林土壤中均存在pH中性的生态型AOA（Nitrososphaerales）,并且ATPase主要是V-ATPase,其分类结果及变化规律与amoA基因相同,表明ATPase可能是马尾松森林土壤中AOA适应酸性胁迫的分子进化机制。随林龄的增加,Ca. Nitrosotaleales丰度先减少后增加,而Nitrososphaerales丰度先增加后减少,速效钾是显著影响AOA群落结构的重要环境因子。这些结果表明,人工林种植极可能促进了酸性AOA的种群分化,目前尚未获得纯培养的Nitrososphaerales生态型极可能在马尾松林原位土壤硝化过程中发挥了重要作用。     

硝化抑制剂与尿素配施对旱地土壤温室气体排放及硝化微生物的影响

为明确施肥措施对旱地土壤温室气体排放的综合效应及微生物机理,采集典型麦田土壤进行室内微宇宙培养,研究了双氰胺(DCD)和烯丙基硫脲(ATU)分别与尿素配施对旱地土壤氮素转化及N_2O、CO_2和CH_4排放的影响,同时监测了不同类型微生物群落的动态变化。结果表明氨氧化细菌(AOB)主导了施氮麦田土壤硝化过程及N_2O排放。单施尿素促进AOB迅速繁殖,使N_2O排放总量提高235%,同时促进了细菌生长,CO_2排放量增加18.5%。DCD与尿素配施极大程度抑制了AOB的生长,显著降低了N_2O排放(59.4%),但促进了细菌的生长并提高了CO_2的排放总量(50.6%)。而ATU与尿素配施同时抑制了真菌、细菌和AOB的生长,对反硝化细菌的影响则相反,使CO_2和N2O排放分别下降28.4%和35.2%。与不施肥相比,氮肥及与两种硝化抑制剂配施均显著降低了CH4的排放量。3种温室气体的综合温室效应在处理间差异显著:Urea+DCDUreaCKUrea+ATU。CO_2排放对综合温室效应的贡献最大,CO_2和N_2O的贡献之和大于98.4%。该研究为深刻理解农田土壤中的微生物行为及生态学效应,合理使用硝化抑制剂以及减缓温室气体排放提供科学依据。     

硝化微生物在土壤团聚体中的分布及其对种植方式的响应

【目的】硝化微生物在农田土壤氮转化过程发挥重要作用，深入开展团聚体中硝化微生物分布研究，有助于揭示土壤结构-微生物-土壤营养元素循环间的相互影响机制。【方法】选取旱地黄棕壤为研究对象，比较了玉米连作（M-M）和玉米/花生轮作（M-P）两种种植方式下土壤团聚体的性质和硝化潜势（NP）的变化，并通过荧光定量PCR和高通量测序研究了团聚体中不同类型硝化微生物功能基因的丰度和群落组成差异。【结果】与M-M相比，M-P能够显著提高团聚体pH、NH4+和全碳（TC）含量。M-P使NP显著提高，但团聚体粒径对NP无显著影响。氨氧化细菌（AOB）amoA基因丰度在M-P中高于M-M，且在较小粒级团聚体中分布更多，而氨氧化古菌（AOA）和全程氨氧化细菌（Comammox）amoA基因的分布模式与AOB大致相反，表明AOB更能适应较小团聚体环境，而AOA和Comammox倾向在较大团聚体中占据竞争优势。此外，与M-M相较，M-P团聚体间AOA/AOB和Comammox/AOB比值的差异减小，表明轮作促使土壤硝化微生物在不同粒级间的分布更加均匀。进一步对属水平土壤团聚体硝化菌群落组成分析，结果显示M-P提高了Nitrolancea属亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和Candidatus Nitrosocosmicus属AOA的占比，降低了Nitrospira属NOB的占比，对AOB各属无显著影响。而团聚体粒径仅对Nitrosospira属AOB的占比产生显著影响。NH4+含量和pH是影响土壤团聚体NP和硝化微生物群落变化的最主要因子。NP与AOB amoA基因丰度显著正相关，与AOA amoA基因丰度负相关。但在群落组成上，Nitrosospira属AOB，Candidatus Nitrosocosmicus属AOA和Nitrospira属NOB均与NP呈现正相关。【结论】土壤团聚体粒径和种植方式能较大程度影响硝化微生物的分布，然而，不同硝化微生物在团聚体间分异机制具有明显差异，该研究为完善禾豆轮作下土壤硝化微生物在微域环境的生态适应机制提供了理论支持。     

围垦年限及施氮对滨海湿地CH4好氧氧化过程的影响

本试验选取崇明东滩的光滩湿地和芦苇湿地为对照，比较研究不同围垦年限(19、27、51、86 a)的围垦区稻田耕层土壤CH₄好氧氧化的速率和固碳量以及对氮肥的响应特征。结果表明，围垦稻田土壤有机碳(SOC)含量随围垦年限增长而显著增加，而湿地土壤的酸碱度(pH)、硫酸根离子(SO₄^2–)浓度和电导率(EC值)则均随围垦年限增长而呈逐渐下降趋势。围垦稻田的CH₄好氧氧化速率存在显著差异，其中围垦27 a稻田最高，为32μg/(g·d)，但远低于芦苇湿地(82μg/(g·d))。CH₄好氧氧化驱动的固碳净增量(¹³C-SOC)介于10.3～19.6μmol/g，与CH₄氧化速率显著正相关。围垦86 a稻田CH₄好氧氧化的固碳效率(¹³C-SOC净增量/¹³CH₄转化量)为61%，显著高于围垦19 a和27 a稻田。添加3种氮肥(NH₄