连作大豆根际氨氧化微生物群落结构特征研究

Microbial ammonia oxidation is the important process of nitrogen cycling in agroecosystem, and the composition of ammonia oxidizing microorganism impacts the soil nitrogen conversion rate directly. It is the key to reveal the composition of ammonia oxidizing microorganism communities in the crop rhizosphere to clarify the influencing factors in thee the soil nitrogen cycling. Long-term continuous cropping of soybean leads to massive accumulation of root exudates in the micro-environment of soybean rhizosphere soil, and the species of soil microorganism have changed directionally. Therefore, in this proposal, based on the long-term continuous soybean field, qPCR(Quantitative PCR) and 454 sequensing molecular techniques will be used to investigate the relationship between the community compositions of ammonia oxidizing microorganisms and soil nitrification capability and construct the Metagenomic library of ammonia oxidizing microorganism of continuous soybean. The responses of ammonia oxidizing microorganisms population to different years of continuous soybean will also be examined, to conclude the contribution rate of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and ammonia oxidizing archaea (AOA) to soil nitrogen conversion in the rhizosphere of continuous soybean, it will provide further information to the theory of soil microbial ecology, and deepen the processes on soil nitrogen cycling.

微生物氨氧化是农田生态系统氮循环的关键过程，氨氧化微生物群落组成直接影响土壤氮的转化速率。解析作物根际土壤氨氧化微生物群落组成特征是明确作物根圈环境影响土壤氮循环的关键。大豆长期连作导致大豆根系分泌物在根际土壤微环境大量积累，土壤微生物种类发生趋向性变化。本项目依托大豆连作长期定位试验，采用qPCR(Quantitative PCR)和454高通量分子生物学技术，解析长期连作条件下大豆根际氨氧化微生物的群落变化特征，构建连作大豆氨氧化微生物的宏基因组文库，阐明氨氧化微生物群落结构与土壤硝化能力的关系，探讨氨氧化微生物种群与大豆连作年限的响应关系，揭示氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）在连作大豆根际土壤氮转化中的贡献比例，对深化农田土壤氮循环过程和丰富土壤微生物生态学理论具有重要意义。

大豆是典型的对连作敏感的作物，大豆连作产量降低，品质变差，生长发育受阻，土传病虫害加重。土传病害发生，主要是土壤中的病原菌多样性和丰度增加，生长发育受阻的另一个原因是氮代谢受阻，氮代谢受阻来源于土壤中的氮素转化相关微生物。系统研究大豆连作和这些微生物关系，对解析连作大豆根部病害加重和氮素循环受阻机制和为解决连作障碍提供技术原理具有重大的理论意义和广泛的应用价值。本文利用黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所的大豆长期连作实验为平台，选取轮作、连作2年、连作4年、连作7年、连作11年和连作17年6各处理，对土壤酶活性和大豆根际土壤氨氧化微生物群落结构进行系统研究。结果如下：1）在肥沃的黑土上，大豆连续种植17年，并没有导致土壤有机质、总氮、总碳、pH等指标的显著变化。对土壤酶活性的测定结果表明，连作4年和连作7年处理的土壤酶活性变化较大，尤其脲酶和蔗糖酶活性。连作4年到7年是连作大豆土壤生物活性变化最大的时间段，之后又趋于平稳。2）连作大豆根际土壤氨氧化细菌种群丰度表明，连作7年处理的amoA 基因拷贝数最低。克隆测序结果表明amoA 基因属于7 Clusters, 其中，连作7年处理土壤中氨氧化细菌种类最为丰富；其次是连作2年处理；而连作17年处理土壤中氨氧化细菌种类最少。本研究基于相同的施肥量和环境条件下，氨氧化细菌群落结构组成与环境因子相关性分析认为连作年限的长短是影响氨氧化细菌群落组成的主要因子。3）连作大豆根际氨氧化古菌种群丰度结果表明，连作2年和连作17年处理的根际氨氧化古菌种群丰度低于其他处理。连作大豆根际氨氧化古菌种群为泉古菌门（Crenarchaeota）、和奇古菌门两大类（Thaumarchaeota），仍有42%为未分类的古菌种类。4）连作4年和连作7年处理的土壤潜在硝化速率显著低于其他处理。与轮作处理相比，连作4年和连作7年处理的土壤潜在硝化速率分别降低51.79 %和31.58 %。相关性分析表明，氨氧化细菌在黑土上连作大豆根际的氨氧化过程中起主要作用。