甘蔗//大豆间作系统中参与土壤氮素转化的核心功能微生物及其生理代谢的分子机制

Leguminous and gramineae intercropping system is an efficient way to make use of natural resources and biological nitrogen fixation in legumes. However, to study the mechanism of maintenance of soil productivity and agroecosystem stability under long-term reduction of nitrogen fertilization in intercropping system is a difficult and hot topic in this area recently. The objectives of this project are to study the core nitrogen transforming genes involves in nitrogen transformation in soybean//sugarcane intercropping system, to approach the functional molecular ecological networks, and further to illustrate the mechanism of nitrogen transformation in soil ecosystem. Potted root barrier technique, stable isotope labeled nucleic acid probe (SIP) and high-throughput sequencing will be applied in this project. Many studies demonstrated that SIP method is a direct way to characterize the function of microbial metabolites, and reveal the dynamic process of soil nitrogen transformation by tracing microbes assimilating 15N substrate. Illumina sequencing enable to clarify the composition and structure of core functional microbial genes involves in nitrogen transformation from the community level. Functional microbial groups have an important effect on nitrogen cycling in soil-plant ecosystems, to determine the nitrogen absorption and competition between sugarcane and soybean can interpret the land productivity and yield stability in intercropping systems. The results from this project will provide a theoretical basis for better understanding of soil nitrogen balance in intercropping system and improving nitrogen use efficiency in field, and provide technical guidance for field fertilization as reduce by 30% under the premise of the use of nitrogen fertilizer while maintaining current levels of crop production.

豆科与禾本科间作系统是一种充分利用豆科生物固氮作用的生态种植模式，它能有效提高土壤氮素利用率，然而长期减量施氮下间作系统如何维持土壤生产力和生态功能系统稳定性是近年来的研究热点和难点。本项目以甘蔗//大豆间作系统中氮素转化迁移的途径及机理为研究目标，以氮素转化核心功能微生物为切入点，利用盆栽根系分隔技术、稳定性同位素核酸探针标记技术和高通量组学测序技术探讨甘蔗-大豆之间氮素竞争吸收的特性和对产量稳定性和土地生产力稳定性的影响。通过以15N底物为代谢物质的功能微生物直接揭示土壤中氮素转化的动态过程；并进一步从群落水平上阐明参与氮素转化迁移的核心功能微生物组成结构，从土壤-作物生态系统的角度完整阐释氮素在间作系统中的循环机制。研究结果将为间作系统中土壤氮素平衡和提高氮肥利用效率提供理论基础，在维持现有作物产量水平的前提下将化学氮肥使用量减少30%，为田间合理施肥提供科学依据和技术指导。

甘蔗是我国主要的糖料作物，生产中普遍存在超量施肥、偏施氮肥等问题，甘蔗//大豆间作不仅能提高土地利用效率，还能强化蔗田生态系统服务功能，减少化学氮肥的投入。本项目采用稳定性同位素核酸探针（DNA-SIP）、qPCR、同位素质谱分析和高通量测序等技术从作物间氮素转移、氮循环关键功能基因和氮循环核心功能微生物的角度探讨了甘蔗//大豆间作系统中氮素迁移与转化机制。主要结果如下：. 1.减量施氮下甘蔗//大豆间作模式能够满足甘蔗生长对氮素需求，通过同位素质谱分析，大豆中有13.44%的氮向甘蔗转移并被甘蔗吸收利用，该种植模式能有效利用土地资源，提高系统生产力，保持作物产量稳定。. 2. 采用(15NH4)2SO4溶液进行大豆叶脉注射标记后，检测大豆和甘蔗植株以及根际土壤中15N同位素丰度，单作和间作处理的大豆均检测到较高的15N丰度，证明15N成功标记到作物、土壤，并被土壤微生物所富集。利用qPCR技术检测6个氮素循环功能基因在DNA-SIP超高速离心后不同浮力密度离心层中DNA的相对丰度分布，通过分析，nifH和amoA基因在甘蔗//大豆间作中15N标记组与空白对照组基因丰度峰发生偏移，因此，nifH和amoA基因可作为指示基因，能够有效鉴定甘蔗//大豆间作系统中DNA-SIP技术15N-DNA位置。. 3. 大豆根际土壤微生物测序表明，直接参与甘蔗//大豆间作系统中土壤氮循环的细菌丰度显著高于古菌，相对于古菌，细菌是土壤氮循环的主要驱动者；直接参与氮素循环微生物群落的独有OTU数量均显著高于未参与氮循环群落数量，说明直接参与甘蔗//大豆间作系统土壤氮素循环与未参与循环的物种有明显差异。. 4. 冗余分析表明土壤NO-3-N、AN、TN的含量是影响直接甘蔗//大豆间作系统中土壤氮循环核心功能微生物群落结构的主要因素，而pH、SOM、TK是影响未直接参与系统土壤氮循环微生物群落结构的主要因素。. 该项目研究从揭示环境因子对根际微生物群落结构的影响、功能微生物群落结构及其功能基因的功能方面阐释了农田间作系统中氮素循环转化的机理以及氮素循环途径的机制，有利于挖掘利用土壤微生物在地球化学元素转化中的重要驱动功能，提高氮素的有效利用率和土壤系统可持续发展潜力。