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基迪奥客户合作文章:16S+ITS+基因芯片研究植物-土壤反馈

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    发表于 2018.10.10 09:21:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
                                                                                                       


    发表期刊:Science of the Total Environment影响因子:4.9
    合作单位:云南农业大学
    关键词:土壤微生物 16S+ITS 基因芯片 植物-土壤负反馈

    小知识

    连作障碍,是指连续在同一土壤上栽培同种作物或近缘作物后,作物生长发育异常,由植物-土壤负反馈(negative plant-soil feedback,NPSF)引起,比如养分过度消耗、土壤理化性质恶化、病虫害增加、有毒物质(异种化感物质等)的累积。同时也受各种环境条件的影响,连作次数、土壤性质(通常黏土重于砂土)、水肥管理等。

    研究背景

    药用作物三七,连作时会受到强NPSF的严重影响,是NPSF研究的模式植物。三七种植户长期观察发现高水平的氮肥施加会加重植物病害。而从1961到2009年,农业系统中的氮肥施用量增加了9倍。探讨氮肥施用量对于NPSF的影响和机制有重要意义。

    研究思路

    图1 研究思路

    实验方法

    采集0N、225N、450N(浓度单位:kg N / ha)三个氮肥施用梯度的根际土壤样品,提取总DNA,进行16s V3-V4区和ITS2区测序,各三个重复;并使用基因芯片进行DNA样品功能基因的定量。

    研究结果

    1氮肥施加量对微生物群落结构的影响

    研究首先通过较密集的梯度实验筛选获得下一步详细分析的浓度节点。5个施肥浓度实验表明,由0到225 N,作物产量显著增加,但增加至450N时,产量显著减少。
    因此选择0N(空白组)、225N(最佳促进组)、450N(抑制组)的根际土壤,进行微生物群落结构的差异分析。qPCR定量结果表明,相对于0N和225N,450N的真菌丰度显著增加,细菌丰度显著降低。真菌/细菌的比值在225N时最低,在450N时最高。
    再通过测序分析,则可具体了解菌群丰度背后的物种多样性变化。结果表明,N的增加使得真菌和细菌从门水平到属水平都发生了变化。
    对于根际真菌(图2),在氮肥逐渐增加时,子囊菌门、接合菌门等的相对丰度显著降低,许多属的相对丰度也呈降低趋势,但是潜在治病性的镰刀菌属、链格孢属增加,而拮抗木霉属等在225N时相对丰度最高。
    对于根际细菌,在225N,放线菌门和蓝藻菌门相对丰度显著高于450N,芽单胞菌门和酸杆菌门相对丰度显著高于0N;属水平由相对丰度聚类可分为3组,随氮浓度的增加,主导是减少趋势,小部分呈增加趋势,还有以枯草芽孢杆菌属为代表的在225N时显著高于450N的分组。测序结果与微生物分离培养统计的结果一致。
      

    图2 真菌门(左)和属(右)水平差异类群相对丰度分析

    2功能基因丰度的差异分析

    由16S和ITS测序,了解了物种分类水平上菌群结构的变化,而通过基因芯片的定量,虽然不能了解具体的功能多样性,但有利于评估许多已知功能类别的基因丰度。   研究发现,N、C、S循环,压力应答,病原菌致病性相关基因的丰度随氮浓度增加而增加;但是过高浓度的氮抑制了次级代谢相关的基因,如乙醛酸循环、色素合成等相关基因在225N时富集,450N时降低。并将基因芯片获得的致病性、拮抗性相关基因与菌属进行共现网络图展示(图3),结果还表明,农杆菌、多粘芽孢杆菌等的变化与芽孢杆菌、假单胞菌呈显著正相关。


    图3 功能基因与菌群丰度网络图



    图4 环境因子与功能基因RDA分析

    3环境因子与真菌、细菌、功能基因丰度的关联分析

    随着氮增加,土壤电导率、速效氮显著增加,而pH和C/N比显著降低。冗余分析显示,速效氮、电导率与微生物群落呈强正相关,而pH和C/N与微生物群落、功能基因(图4)呈强负相关。将研究成果绘制高氮肥的NPSF效应如图5。

    图5 高氮肥加重NPSF效应的机制

    小结

    研究通过16S和ITS的测序分析,补充基因芯片功能基因的定量,揭示了高氮肥加重NPSF的影响机制,即高氮肥进入土壤,环境因子改变,抑制了有益微生物类群,富集了致病微生物类群,最终加重了NPSF。

    参考文献Wei W, Yang M, Liu Y, et al. Fertilizer Napplication rate impacts plant-soil feedback in a sanqi production system[J].Science of The Total Environment, 2018, 633: 796-807.

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    发表于 2018.10.15 10:55:08 | 显示全部楼层
    很简明扼要的分析
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