生物菌剂对土壤微生物群落结构和功能的影响_沙月霞.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2022，41（12）:2752-27622022年12月沙月霞，黄泽阳，李云翔，等.生物菌剂对土壤微生物群落结构和功能的影响J.农业环境科学学报,2022,41（12）：2752-2762.SHA Y X,HUANG Z Y,LI Y X,et al.Impact of microbial agents on the structure and function of the soil microbial communityJ.Journalof Agro-Environment Science,2022,41（12）：2752-2762.开放科学OSID生物菌剂对土壤微生物群落结构和功能的影响沙月霞，黄泽阳，李云翔，赵沛（宁夏农林科学院植物保护研究所，银川 750011）Impact of microbial agents on the structure and function of the soil microbial communitySHA Yuexia,HUANG Zeyang,LI Yunxiang,ZHAO Pei（Institute of Plant Protection,Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Yinchuan 750011,China）Abstract：This study explored the impact of microbial agents on the structure of the microbial community and functional genes in maizefarmland.The metagenomic library was used to analyze the soil microbial community structure,gene abundance of nitrifying functionalmicroorganisms,functional annotation and diversity of carbohydrate-active enzymes（CAZy）and antibiotic resistant genes（ARGs）.Theresults indicated that the abundance of soil microorganisms Proteobacteria,Actinobacteria,and Firmicutes increased after soaking the seedin Wugufengsu and combining it with microbial agents.In addition,the abundance of Acidobacteriotia,Gemmatimonadetes,Chloroflexi,and Candidatus Rokubacteria also decreased.The abundance of Thaumarchaeota and Euryarchaeota in archaea increased by 26.41%and9.09%,and the abundance of Ascomycota,Basidiomycota and Chytridiomycota in fungi decreased.As for soil microbial genus,the relative收稿日期：2022-10-18录用日期：2022-11-15作者简介：沙月霞（1974），女，宁夏平罗人，博士研究生，从事植物病害生物防治及微生态学研究。E-mail：基金项目：宁夏重点研发计划项目（2022BBF02031）；国家重点研发计划项目（2017YFD0201606）；宁夏青年拔尖人才培养工程Project supported：The Key Research and Development Program of Ningxia,China（2022BBF02031）；The National Key Research and DevelopmentProgram of China（2017YFD0201606）；The Young Top-notch Talent Training Project of Ningxia,China摘要：为探明五谷丰素浸种联合微生物菌剂撒施对玉米田土壤微生物群落结构及功能基因的影响，利用宏基因组技术分析生物菌剂施用后土壤微生物群落结构、硝化功能微生物基因、碳水化合物酶（CAZy）及抗生素抗性基因（ARGs）的功能注释及多样性。结果表明：五谷丰素浸种联合微生物菌剂撒施后，土壤细菌中变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Fimicutes）的丰度增加，酸杆菌门（Acidobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）和 CandidatusRokubacteria的丰度下降；古菌中奇古菌门（Thaumarchaeota）和广古菌门（Euryarchaeota）的丰度分别增加26.41%和9.09%；真菌中子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）和壶菌门（Chytridiomycota）的丰度下降；芽单胞菌属（Gemmatimona）丰度降低了9.76%，芽 孢 杆 菌（Bacillus）丰 度 增 加 0.77 倍，亚 硝 化 球 菌（Nitrososphaera）、硝 化 螺 菌 属（Nitrospira）和 氨 氧 化 古 菌（Candidatus_Nitrosocosmicus）的丰度增加20%以上；土壤微生物的多糖裂解酶（Polysaccharide Lyases，PLs）和碳水化合物绑定结构（Carbohydrate-binding modules，CBMs）的丰度增加；杆菌肽（Bacitracin）基因丰度下降，氟喹诺酮（Fluoroquinolone）、氯霉素（Chloramphenicol）、氨基糖苷（Aminoglycoside）和-内酰胺（Beta-lactam）类ARGs的丰度增加；氨氧化微生物（AOA和AOB）和亚硝酸盐氧化微生物（NOB）基因的丰度增加。PCA前两个主成分解释了98.78%的样本CAZy差异和59.33%的样本ARGs差异；NMDS和ANOSIM 分析显示样本不同处理之间的CAZy和ARGs抗性基因存在差异。研究表明，五谷丰素浸种联合微生物菌剂撒施可以显著改变玉米田土壤微生物群落结构，增加硝化微生物丰度，优化土壤微生物CAZy比例，降低土壤ARGs中杆菌肽污染，改善玉米植株生长的土壤微生态环境。关键词：生物菌剂；土壤微生物群落结构；碳水化合物酶（CAZy）；抗生素抗性基因（ARGs）；微生态调控作用中图分类号：S154.3文献标志码：A文章编号：1672-2043（2022）12-2752-11doi:10.11654/jaes.2022-1042沙月霞，等：生物菌剂对土壤微生物群落结构和功能的影响2022年12月玉米是世界上重要的粮食作物、饲料作物和工业原料，高密度种植、化肥农药过量施用以及土壤盐渍化等导致玉米土壤中病原菌数量连年积累，致使根系生长的微生态环境失衡1-2。茎基腐病是由多种病原菌复合侵染的系统性土传病害，也是危害玉米产量和品质的主要病害之一，一般可使玉米减产10%25%，危害严重时玉米产量损失可超过80%3-4。种植抗病品种和施用化学农药是生产上最常用的防治措施。随着生态环境保护和粮食安全日益受到重视，玉米茎基腐病的生物防治越来越受到学者们的关注。五谷丰素是由链霉菌（Streptomyces sp.）NEAU6代谢产物研制出的生物制剂，能促进种苗生长和提高抗倒伏能力5-6，是防治玉米茎基腐病的种衣剂。程星凯7研究发现甲基营养型芽孢杆菌（Bacillus methylotrophicus）TA-1浸种可以有效预防玉米茎基腐病，并具有显著的促生作用。土传病害常与土壤中病原菌数量积累较多、土壤生态环境失衡和气候因子有关，因此，改善植株根系生长的土壤微生态环境、恢复土壤生态服务功能是防治土传病害的途径之一8。CHEN等9研发的棘孢木霉菌（Trichoderma asperellum）颗粒剂与化肥混合后于播种前施用可以改善土壤质量，有效预防玉米茎基腐病。土壤微生物参与物质循环，而微生物群落结构的变化会影响土壤健康状况。冯帅10分离的施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）A1501可以改变玉米根际土壤细菌群落和固氮菌群落结构组成，优化土壤微生态环境。沙月霞等11研制的微生物菌剂撒施可显著影响土壤细菌群落结构及多样性，降低pH值，增加有机质、全氮、速效钾含量，改善玉米农田土壤健康状况，有效预防玉米茎基腐病。采用宏基因测序技术探究生物菌剂对土壤微生物群落结构的影响报道较多。侯景清等12发现乳酸菌复合制剂对盐碱地土壤微生物群落结构影响较大，可增加碳水化合物活性酶基因序列数目，降低土壤中毒素的基因序列数目。王启全13研究了多环芳烃降解菌剂对参与土壤碳、氮、磷及硫元素循环过程的微生物酶功能基因的调控作用。目前利用宏基因组测序技术探索生物制剂对玉米田土壤微生物群落结构及功能基因的影响研究还未见报道。本课题组前期已探明了五谷丰素浸种联合微生物菌剂防治玉米茎基腐病的田间效果、促生增产效果，以及对土壤微生物量、生物酶活性的改善作用。本研究采用宏基因组测序技术，一方面研究五谷丰素浸种联合微生物菌剂撒施后宁夏玉米田土壤微生物群落的物种组成，特别明确其对土壤真菌、细菌和古菌类群的门和属水平丰度的影响，另一方面研究五谷丰素浸种联合微生物菌剂撒施后宁夏玉米土壤微生物功能注释及多样性，主要探明其对碳水化合物活性酶（Carbohydrate-activeenzymes，CAZy）、抗生素抗性基因（Antibiotic resistantgenes，ARGs）和硝化功能微生物基因的影响，为改善农田土壤微生态环境提供科学参考。1材料与方法1.1 试验药剂及地点试验药剂：微生物菌剂 M1和 M2是由枯草芽孢杆菌 HR15、萎缩芽孢杆菌 HR37和贝莱斯芽孢杆菌HR55等混合发酵粉剂（30%）、腐植酸（5%）、土壤调节剂（0.4%）、微量元素（0.6%）以及载体（64%）而成的微生物菌剂，其中M1载体为腐熟烘干羊粪，M2载体为鸡粪有机肥（包含有机碳 25.5%、氮 1.63%、磷abundance of Gemmatimona decreased by 9.76%,the abundance of Bacillus increased by more than 0.77 times,and the abundances ofNitrososphaera,Nitrospira and Candidatus_Nitrosocosmicus increased by more than 20%.Following the application of a microbial agent,theabundance of polysaccharide lyases（PLs）and carbohydrate binding modules（CBMs）increased.Furthermore,the abundance of bacitracinin ARGs genes decreased while the abundance of fluoroquinolone,chloramphenicol,aminoglycoside,beta-lactam increased.In particular,th