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。     

不同水分条件下格陵兰岛冻土活性甲烷氧化菌群落分异规律

揭全球气候变化导致丹麦格陵兰岛形成了旱地和间歇淹水的土壤景观,采用稳定性同位素核酸探针技术和高通量测序16S r RNA及pmoA基因的分析方法,开展了格陵兰岛旱地和间歇淹水土壤微宇宙培养试验,探究不同水分条件下冻土的甲烷氧化潜力及活性好氧甲烷氧化菌群落演替规律。结果表明:与旱地土壤相比,淹水土壤氧化高浓度甲烷的速率呈现降低趋势,分别为12.38和12.17μg/(g·d),但后者对甲烷碳同化利用效率显著高于前者,土壤¹³C-有机碳原子百分比从自然丰度1.08%,分别增加至1.64%和1.99%。超高速密度梯度离心分析¹³C-DNA发现甲烷氧化菌群落发生演替,旱地土壤中Crenothrix甲烷氧化菌16S rRNA基因丰度仅为0.04%,而在间歇淹水土壤中为23.78%,增幅高达557倍;类型Ⅱ甲烷氧化菌Methylosinus则从33.76%增至44.38%。然而,类型Ⅰ甲烷氧化菌Methylocaldum的丰度明显降低,从旱地土壤10.15%显著降低为间歇淹水0.14%;进一步通过pmo A基因高通量测序分析,也得到了类似的结果,特别是类...     

水稻土好氧甲烷氧化菌对大气CO2浓度升高的适应规律

CH4是仅次于CO2的第二大温室气体,而稻田是CH4的主要排放源,但未来大气CO2浓度升高情景下（elevated CO2, eCO2）,水稻土好氧甲烷氧化过程及其功能微生物群落适应规律尚不清楚。本研究依托中国FACE（Free Air CO2 Enrichment）水稻田试验平台,通过13C-CH4示踪的室内微宇宙培养实验,采用稳定性同位素核酸探针（DNA-SIP）和高通量测序技术,研究了未来大气CO2浓度升高对水稻土甲烷氧化活性及其功能微生物的影响规律。研究结果表明：与常规大气CO2浓度（ambient CO2, aCO2）相比,eCO2条件下的甲烷氧化活性显著增加,从243 nmol g-1 d.w.s h-1增加至302 mol g-1 d.w.s h-1,增幅高达24.3%,甲烷氧化菌数量则增加了1.1~1.2倍。通过超高速离心获得活性甲烷氧化菌同化13CH4后合成的13C-DNA,高通量测序发现,未来大气CO2升高情景下水稻土活性好氧甲烷氧化微生物群落极可能发生明显演替,与对照相比,类型I甲烷氧化菌甲基杆菌属Methylobacter的相对丰度增加16.2%~17.0%,而甲基八叠球菌属Methylosarcina的相对丰度下降4.7%-11.1%;同时刺激了食酸菌属Acidovorax和假单胞菌属Pseudomonas等非甲烷氧化菌的活性。这些研究结果表明：未来大气CO2升高情景下,水稻土好氧甲烷氧化微生物群落结构发生分异,促进了甲烷氧化通量,而甲烷氧化的代谢产物可能引发土壤中微生物食物网的级联反应,是土壤碳储存和周转的重要功能微生物群。     

夜间增温下施硅对稻田CH4好氧氧化及其氮响应的影响

【目的】研究硅肥对增温稻田甲烷(CH₄)好氧氧化速率的影响效应,为探索未来全球变暖背景下稻田温室气体减排措施提供科学依据。【方法】采用田间开放式增温系统对稻田土壤进行夜间增温,共设4个处理：夜间常温不施硅(CK)、夜间增温不施硅(NW)、夜间常温施硅(Si)和夜间增温施硅(NW+Si)。采集上述处理4年后的耕层根际土和非根际土,在无氮添加和氮添加(NH₄⁺、NO₃^-和尿素)条件下进行室内培养,采用¹³CH₄标记方法,研究稻田CH₄好氧氧化速率和固碳特征及其对氮肥的响应。【结果】Si处理稻田土壤的总有机碳和水溶性有机碳含量分别为23.2 g/kg和216.7 mg/kg,较CK稻田提高10.5%和26.7%;而NW处理的总有机碳和水溶性有机碳则分别较CK稻田降低11.9%和9.9%。施硅处理(Si和NW+Si)根际土的CH₄好氧氧化速率显著高于不施硅处理(CK和NW)(P<0.05),其...     

茶园土壤细菌丰度及其影响因子研究

采用Griffiths法直接提取土壤微生物基因组DNA,并通过实时荧光定量PCR技术分析土壤微生物16 SrRNA基因数量,对茶园及其附近森林和菜园土壤的细菌丰度及其影响因素进行了研究。结果表明,茶园土壤细菌丰度在0.01×108~20.32×10816 S rRNA基因拷贝数/g之间,平均为3.70×10816 S rRNA基因拷贝数/g,与酸性森林土壤大致相当,但明显低于中性菜园土壤。土壤细菌丰度与pH和微生物量C呈极显著正相关(P<0.001),但与施N量和茶树种植年限呈极显著负相关(P<0.01),与土壤有机C和全N含量的相关性不明显。多元回归分析表明,影响土壤细菌丰度最重要的因子是土壤pH,其他依次为树龄和施氮量。可见,提高茶园土壤细菌数量和微生物多样性的有效办法是适当提高土壤pH值,同时避免过量施用氮肥;对于改植换种的老茶园,改良土壤也是必不可少的。     

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。     

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。     

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。     

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。