根际微生物对大豆/玉米间作体系中氮素分配的影响及其作用机制

Legume/cereal intercropping system, as a classic model of high nitrogen using efficiency, plays an important role in increasing crop yield and improving nutrient utilization. However, the interaction and ecological mechanisms between rhizosphere microorganisms and nitrogen transformation in legume/cereal intercropping system are still unclear. In this study, 15N2 and 15N-urea labelling techniques will be conducted to evaluate nitrogen transformation between soybean and maize. High-throughput sequencing will be used to compare the difference in microbial communities between intercropping and monocropping. Functional genes for nitrogen transformation will be quantified by gene chip. Meanwhile,13CO2 steady state labeling and DNA-SIP technique will be conducted to study the relationship between rhizosphere microorganisms and nitrogen transformation. The objective of this project is to determine the impact of rhizosphere microorganisms on nitrogen transformation, assist in understanding the mechanisms of improving nutrient cycling and crop yield, and promoting the coordinate development of agriculture and environment.

豆科/禾本科间作是一种经典的氮高效种植模式，它能有效地提高作物产量及养分利用效率。然而，关于根际微生物对大豆/玉米间作体系中氮素分配的影响及其作用机制尚不明确。本项目拟利用15N同位素示踪、13CO2连续标记、高通量测序、碳氮功能基因芯片等手段，准确量化大豆/玉米间作体系中氮素的转化和分配情况；比较大豆/玉米间作与单作体系中土壤微生物群落结构的差异，分析定量氮素转化功能基因，明确处理间差异较大的功能基因类群；在此基础上，揭示大豆/玉米间作体系中根际沉积—土壤微生物—氮素分配之间的相互作用机制，为阐明间作作物种间营养促进作用的微生物生态机理，挖掘豆科/禾本科间作系统的增产潜力，保障持续农业与环境生态协调发展提供科学基础。

豆科/禾本科间作在我国具有悠久的种植历史，它作为一种经典的养分高效种植模式，可有效地提高作物产量和肥料利用效率。然而，准确量化间作体系中土壤氮素、肥料氮素和大气共生固氮的各自贡献、明确其微生物作用机制和环境影响因子一直是研究的难点。本项目团队结合15N和13CO2标记、基因芯片和高通量测序等技术，对豆科/禾本科间作系统氮素分配规律，单作、间作体系土壤微生物群落结构的差异，间作体系中根际沉积—土壤微生物—氮素分配之间的相互作用机制开展了研究。结果表明大豆共生固氮量随氮肥施用水平的提高而降低，大豆共生固氮的5.11%可被玉米吸收。对大豆体内的氮素来源进行了计算，在低氮处理中，肥料氮源、共生固氮及土壤中的氮源分别占11.73%、12.85%和75.42%，而高氮处理可显著降低共生固氮的比例，但提高了肥料中氮素的比例。DNA-SIP结果表明，单作与间作体系中利用根际沉积碳的微生物群落具有显著差异，且间作体系中微生物种类更为集中。高通量测序表明，间作体系中利用根际沉积碳的主要微生物为Halomonas, Nesterenkonia, Achromobater, caldalkalibacillus, Burkholderia-Caballeronia-Paraburkhoderia, Oceanobacillus, Bacillus等菌属。碳氮磷硫基因芯片结果表明，间作处理下碳素降解基因、氮素周转中的脲酶和反硝化功能基因、磷素周转的大部分基因要高于单作大豆和单作玉米；生物炭施入间作体系也显著激发了更多具有固氮、溶磷和铁硫还原等相关功能的微生物利用根际沉积碳，促进了间作体系根际土壤氮磷等养分的循环。项目还发现禾本科作物高粱的根系分泌物能通过抑制土壤氨氧化细菌，从而显著抑制硝化作用。研究结果为揭示间作作物种间营养促进作用的机理，挖掘豆科/禾本科间作系统的增产潜力，保障持续农业与环境生态协调发展提供科学基础。