研究揭示長期施肥抑制根際微生物固氮的作用機制

2020-12-03 生物谷



生物固氮是地球上最重要的生態過程之一，在農田生態系統中，作物總生物量中大約24%的氮來源於微生物的非共生固氮過程。根際是農田土壤中微生物最為活躍的區域，根際中固氮微生物群落與作物的生長息息相關。然而，長期以來，大量化肥及有機物料的投入大大降低了農田土壤微生物的固氮作用。近年來，土壤固氮功能微生物的研究主要集中在固氮菌群落及其影響因素，然而，對長期施肥抑制根際微生物固氮的作用機制鮮有研究。最近，中國科學院南京土壤研究所研究員褚海燕課題組基於安徽蒙城35年長期定位施肥實驗平臺（設置不施肥、單施NPK肥、NPK+秸稈、NPK+豬糞、NPK+牛糞等五種不同處理），利用高通量測序與ARA固氮活性測定技術，研究了長期不同施肥管理對小麥根際固氮活性及其相關功能微生物的影響機制。

研究發現，長期的不同施肥管理均大幅度降低了根際與非根際土壤的固氮活性（50%）。通過共存關係網絡與隨機森林模型分析，識別了與固氮活性最密切相關的關鍵微生物集群，其主要由寡營養型的地桿菌（Geobacter spp）佔優勢。系統發育信號分析發現這些關鍵固氮微生物菌群在長期不施肥的環境下是系統發育聚集的，而施肥導致其系統發育呈現隨機性狀態，表明長期施肥管理下的土壤環境已不能主動選擇與固氮活性密切相關的關鍵固氮菌群，由此造成土壤固氮功能的不可逆丟失。進一步通過結構方程模型解析長期不同施肥影響固氮活性的機制：施肥既能直接影響土壤固氮活性，也能通過影響土壤理化性質與固氮菌群落間接影響土壤固氮活性；其中，根際效應的負反饋作用造成了根際固氮活性的進一步降低。該研究耦合根際土壤固氮過程與關鍵固氮菌集群，從系統發育機制上解析了長期施肥抑制根際特定固氮菌集群的生長與功能，為集約化農業背景下土壤生物多樣性保護及生態系統功能發揮提供科學依據。研究成果發表在國際期刊Microbiome上，博士生範坤坤為論文第一作者，研究員褚海燕為論文通訊作者。

該研究得到西班牙阿利坎特大學、安徽省農科院土壤肥料研究所、中科院城市環境研究所的合作，以及國家自然科學基金、中科院B類先導專項「土壤—微生物系統功能及其調控」的資助。同時，在中科院南京分院「科學探究活動」項目的支持下南京師範大學附屬中學三位同學也參與了部分工作。（

生物谷

Bioon.com）

相關焦點

  • 根際微生物對大豆—根瘤菌互作至關重要
    圖片來源：《國際微生物生態學會雜誌》近日，《國際微生物生態學會雜誌》在線發表了華中農業大學植物科學技術學院教授李霞團隊最新成果。該研究揭示了不同土壤條件下大豆根際微生物的變化及其調控快、慢生根瘤菌與大豆互作及在根瘤中定殖特異性的機制，為大豆根瘤菌環境適應性和逆境下提高結瘤效率提供了重要的理論依據。豆科植物—根瘤菌共生是植物—微生物共生的一種重要類型，這種共生關係的建立非常複雜，受多種因素的影響。大豆與快生根瘤菌和慢生根瘤菌均能互作共生。
  • 水稻根際和非根際土微生物碳源利用效率對施肥的響應研究獲進展
    陸地生態系統中，微生物在調控碳循環過程中扮演著兩種截然不同的角色：1）通過分解代謝作用使有機物礦化向大氣釋放CO2；2）將非穩態的有機碳通過微生物「碳泵」的形式不斷形成穩定態有機碳庫。微生物這種分解代謝與合成代謝的相對過程強弱可以通過碳源利用效率（CUE）反映，其決定了土壤中碳周轉的去向。
  • 研究揭示叢枝菌根共生與根瘤共生的協同進化機制
    ，揭示叢枝菌根共生與根瘤共生系統在植物根際層面的互作機制。植物根系與微生物建立共生是長期共進化的過程。叢枝菌根共生形成於4億6千萬年前，其共生信號通路被豆科植物進一步利用，參與建立豆科植物與固氮根瘤菌的共生。然而，對AM真菌與根瘤菌在陸地生態系統中的相互作用和協同進化卻知之甚少。生物間的協同進化依賴於相互作用，特別是生物體之間的合作和競爭。根周圍的區域稱為根際，該微環境代表了植物-微生物和微生物-微生物相互作用的主要生態位。
  • 研究揭示森林演替驅動生物固氮及其關鍵機制
    其一，演替初期或中期土壤養分（尤其是氮）貧瘠，固氮植物和固氮微生物在生態系統中佔有優勢地位；但演替過程土壤氮逐漸累積增加，因此演替後期生物固氮已不具有競爭優勢，固氮速率降低或者終止。其二，磷是參與固氮反應的重要能源物質（ATP）和固氮生物生長的重要養分，隨著演替過程土壤磷的消耗，演替後期生物固氮受磷的限制。
  • 替代工業氮肥,我國生物固氮應用有了「小目標」
    如何利用生物固氮這種大自然提供的綠色氮肥減少農業生產對工業氮肥的依賴，是擺在研究者面前的重要科學問題。近日，北京大學生命科學學院王憶平課題組發表論文稱，他們揭示了固氮酶相關機制並篩選出相關突變體，有望構建出高效通用的固氮酶系統。
  • 研究揭示土壤微生物群落穩定性、多樣性與作物產量的關係
    土壤微生物調控土壤養分循環過程與植物生產力，是土壤健康的重要指標。在農業生態系統中，土壤微生物群落（細菌、真菌、線蟲等）以多營養級微食物網形態共存，尤其在根-土界面（根際微環境）中發揮重要作用，直接或間接影響作物健康和產量。研究土壤微生物群落穩定性、多樣性影響作物產量的作用機制，可為農業可持續性發展提供科學依據。
  • 長期施肥下土壤固氮菌群落構建研究取得進展
    在宏觀生態學理論中，群落的構建機制是生物多樣性產生和維持的核心研究內容。生態位理論和中性理論常被用來解釋群落的構建過程。生態位理論強調的是確定性過程的作用，即環境過濾和種間相互作用對群落的影響；中性理論強調的是隨機性過程的作用，即隨機擾動、隨機擴散以及隨機的出生、死亡對群落的影響。
  • 生物固氮的環境響應機制獲揭示
    中國科學院華南植物園生態中心鼎湖山站生態系統管理研究組副研究員鄭棉海（課題組PI：莫江明研究員）首次系統地揭示了全球陸地生態系統生物固氮對環境變化的響應格局。相關研究近日發表於《全球變化生物學》。生物固氮是地球生態系統重要的氮素來源之一，也是驅動陸地生態系統氮循環和淨初級生產力的關鍵因素。
  • 微生物所揭示苜蓿感知環境氮素濃度變化精細調控共生結瘤固氮機制
    該研究揭示了苜蓿根瘤維管組織傳遞細胞特異表達的硝酸鹽轉運體NPF7.6，通過感知環境中硝酸鹽濃度變化，介導其吸收與轉運，調控豆血紅蛋白基因表達來控制一氧化氮穩態及固氮酶活性，從而實現對根瘤發育與共生固氮的精細調控。氮素是植物生長發育所必需的主要元素。氮肥的使用在增加作物產量中發揮至關重要作用。然而，氮肥的超量使用現象日趨嚴峻。
  • 分子植物卓越中心等揭示叢枝菌根共生與根瘤共生的協同進化機制
    12月9日，Molecular Plant在線發表中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究組及合作團隊完成的研究論文Mycorrhizal Symbiosis Modulates the Rhizosphere Microbiota to Promote Rhizobia Legume Symbiosis，該研究通過定量微生物組、微生物共發生網絡及微生物群回接實驗等，揭示叢枝菌根共生與根瘤共生系統在植物根際層面的互作機制
  • PNAS:揭示聯合固氮的分子機理
    在自然界中，某些原核微生物在常溫常壓下通過固氮酶將空氣中的氮素固定為氨，這一過程稱為生物固氮，這類微生物稱為固氮微生物。據估計，全球每年的生物固氮總量為2億噸，約佔全球作物需氮量的四分之三。在國家863計劃、973計劃和國家自然基金項目的支持下，中國農業科學院生物技術研究所林敏實驗室與法國巴斯德研究所、中國醫學科學院病原生物學研究所和北京大學等國內外同行合作，於2005年完成了分離自我國南方水稻根際的聯合固氮斯氏假單胞菌全基因組測序及功能注釋工作，斯氏假單胞菌A1501是目前國際上完成全基因組序列測定的第一例聯合固氮菌。
  • 華南植物園在生物固氮的環境響應機制研究方面取得進展
    華南植物園在生物固氮的環境響應機制研究方面取得進展 2020-09-23 華南植物園 【字體上述研究首次系統地揭示了全球陸地生態系統生物固氮對環境變化的響應格局，同時暗示了人為幹擾活動對生物固氮產生抑制作用，研究結果有助於人們準確理解、評估、模擬和預測陸地生態系統氮收支、淨初級生產力和生態系統反饋。 　　相關研究成果已發表在Global Change Biology上。
  • 研究揭示生物固氮對養分輸入的響應格局和機制—新聞—科學網
    中科院華南植物園
  • 茶樹連作障礙與土壤微生物群落
    文章從土壤養分失衡、土壤酸化、自毒作用、土壤微生物群落結構失衡、根際微生態等方面概述了茶樹連作障礙形成機制的研究進展,同時從化學改良、增施有機肥、生物質材料、生物菌肥、茶園多樣性栽培等方面介紹緩解茶樹連作障礙的主要措施,並對今後茶樹連作障礙形成機制的進一步研究及防控技術的發展方向提出展望,以期為解決茶樹連作障礙問題提供一些科學依據。
  • 研究揭示轉錄因子NIN在根瘤菌侵染時的關鍵作用
    2月1日，Plant Physiology 雜誌在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所、中國科學院-英國約翰·英納斯中心植物和微生物科學聯合研究中心（Center of Excellence for
  • ...孔照勝團隊揭示苜蓿感知環境氮素濃度變化調控共生結瘤固氮的機制
    【學術前沿】中科院微生物所孔照勝團隊揭示苜蓿感知環境氮素濃度變化調控共生結瘤固氮的機制 2020-06-11 03:35 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • Nature綜述帶你讀懂微生物在氮循環中的作用 | 熱心腸日報
    ，該研究基於微生物絕對豐度提出了植物根際微生物群落 「擴增-選擇」 組裝的新模型,其將指導我們定量追蹤植物不同生長周期下其根際微生物的絕對豐度的變化，將根際微生物與植物定量性狀關聯起來，更好利用根際微生物提升農業的可持續發展。
  • ISME:中科院南京土壤所褚海燕組揭示關鍵菌群的生物多樣性決定作物...
    導 讀 該研究揭示了長期施肥背景下關鍵微生物菌群多樣性在維持土壤功能和作物產量方面的重要作用，並且找出了與作物產量和土壤養分循環密切相關的多營養級微生物集群，為糧食生產的可持續性發展提供科學指導。
  • 曾凡江團隊揭示深根豆科植物生物固氮對鹽分響應的影響
    揭示駱駝刺生物固氮的耐鹽性可歸結於駱駝刺根瘤的結構屬性。　豆科植物具有結瘤固氮潛能，但在乾旱區，多年生豆科植物生物固氮潛力表現出較大的空間變異。此前對塔克拉瑪幹沙漠和策勒綠洲過渡帶的深根多年生草本豆科植物疏葉駱駝刺氮素代謝的研究發現，駱駝刺的生物固氮潛力表現出較大的空間變異，固氮植物的硝酸還原酶活性顯著低於非固氮植物。
  • 人為幹擾活動抑制生物固氮
    本報訊（記者朱漢斌 通訊員周飛）中科院華南植物園生態中心鼎湖山站生態系統管理研究組副研究員鄭棉海（課題組PI：研究員莫江明）首次系統地揭示了全球陸地生態系統生物固氮對環境變化的響應格局。相關研究近日發表於《全球變化生物學》。生物固氮是地球生態系統重要的氮素來源之一，也是驅動陸地生態系統氮循環和淨初級生產力的關鍵因素。