影响amoA基因丰度的因素


amoA基因拷贝数与化学性质之间的相关性分析表明，施用粪肥土壤中细菌amoA基因拷贝数与所有测试参数（如NH4+-N、NOx--N、TN和TOM）均呈显著正相关（表2）。然而，古菌amoA基因拷贝数仅与pH显著相关。土壤化学性质与amoA基因之间的相关性表明，粪肥施用高度影响了细菌氨氧化微生物的种群规模，而非古菌对应物。还注意到PNRs与细菌amoA基因拷贝数之间观察到显著正相关，表明与细菌氨氧化微生物相关的高硝化活性。基于Bray-Curtis距离矩阵的PCA用于提取环境参数的最重要信息。PCA解释了环境数据集中99.8%的变异，包括pH、NH4+-N、NOx--N、TN和TOM五个因子。在PCA中，PC1由NH4+-N组成，PC2由其他参数组成，分别解释了环境数据集中96.1%和3.8%的变异。提取的PC1与AOB的丰度显著相关（p<0.001），但与AOA未观察到显著相关性（p=0.303），表明NH4+-N是影响AOB丰度的关键因素。

表2.AOA和AOB amoA基因拷贝数与土壤性质之间的相关性a。


a Pearson相关系数,n=20.b低于检测限的样本拷贝数假定为qPCR测定的检测限（10^3拷贝）。c相关性在0.01水平上显著（双尾）。


短期施肥对amoA基因丰度的影响


铵是粪肥和其他肥料的主要成分，并且在本研究中被确定为影响氨氧化微生物种群的关键因素。因此，为了模拟AOA和AOB种群对施肥的响应，使用在田间研究中观察到AOA开始比AOB占优势的40-50厘米层的土壤样本，进行了添加铵的5周培养。在两种培养中均观察到细菌amoA基因拷贝数的明显增加（在施用粪肥土壤中从2.0 x 10^6到8.4 x 10^6 g-1干土重，在未施用土壤中从1.6 x 10^4到4.8 x 10^5 g-1干土重），并且NH4+-N在培养期间同时减少（从0.16到0.03 mM和从0.16到0.09 mM）。古菌amoA基因拷贝数在施用粪肥土壤中从8.9 x 10^6到1.8 x 10^7 g-1干土重变化，在未施用土壤中从2.1 x 10^6到2.3 x 10^7 g-1干土重变化。古菌amoA基因拷贝数略有下降，但未观察到像其细菌对应物那样的清晰模式（图3）。

讨论


AOA和AOB的分布和相对贡献高度受土壤性质的影响。尽管粪肥在农业中经常使用，但对其对土壤中氨氧化微生物种群影响的了解甚少。通过调查一个长期施用粪肥的土壤，我们测试了土壤中AOA和AOB响应粪肥施用的种群。


长期施用粪肥土壤中AOB的丰度（8.8 x 10^6到3.2 x 10^8 g-1干土重）显著高于（p<0.05）未施肥土壤（1.6 x 10^4到6.3 x 10^6 g-1干土重），但未观察到AOA的显著差异。与其他自然生态系统相比，如珠穆朗玛峰土壤（5.4 x 10^4到3.1 x 10^6拷贝g-1干土重）、红壤（5.8 x 10^5到9.3 x 10^7拷贝g-1干土重）或碱性砂壤土（1.2 x 10^6到2.8 x 10^6拷贝g-1干土重），施用粪肥土壤中AOB的丰度要高得多。结果向我们展示了粪肥施用对AOB而非AOA种群的明显刺激作用，这与先前在土壤中的观察结果一致。


尽管粪肥通常是不同化合物的混合物并且富含有机氮，但粪肥对AOA和AOB种群的影响似乎与无机氮肥类似。基于Bray-Curtis距离矩阵的PCA显示，NH4+-N解释了环境数据集中96.1%的变异，是决定AOB丰度的最重要化学参数。因此，尽管粪肥具有有机氮的特征，但粪肥中的无机氮仍然是影响AOB丰度的关键因素，这通过NH4+-N与细菌amoA基因拷贝数之间的相关性分析（r2=0.757,p<0.01）得到进一步证实。相反，很难找到粪肥施用与AOA丰度之间的任何联系。据报道，高比例的无机铵供应在不同土壤中并未刺激奇古菌氨氧化甚至抑制了它，而AOA的种群受到有机氮的刺激。因此，AOA丰度的不明确变化可能是粪肥中长期无机和有机氮供应的综合影响。这一推测通过5周培养实验得到证实。在唯一的铵底物下，观察到细菌amoA拷贝数的明显增加，这与先前研究一致，即AOB的丰度在49天和28天培养后增加。


施用粪肥土壤中的PNRs显著高于（p<0.05）未施肥土壤，这与先前研究一致，即PNRs被粪肥处理增强但被矿物肥料抑制。PNRs和细菌amoA拷贝数的同时增加表明AOB在硝化作用中的重要性增加。观察到PNRs与AOB的丰度高度相关，而非AOA，表明在较高底物可用性条件下AOB将更重要。据报道，奇古菌是氨氧化的关键驱动者，但大多数这些结论是在不利于AOB的酸性土壤条件下得出的。我们的结果和先前研究表明，在中性pH土壤中，AOB将在氨氧化中发挥更重要的作用，尤其是在添加肥料的情况下。然而，也有研究表明，在水稻根际土壤中，奇古菌的生长通过根系分泌物增加，这揭示了根系分泌物对AOA和AOB群落的显著作用。在本研究中，未施用粪肥的土壤未种植水稻。因此，需要谨慎解释结果。未来关注不同种植模式和植物对土壤中氨氧化微生物群落影响的研究将是该领域的优先方向。