科研 | 植物-植物互作与施氮肥对土壤细菌和真菌群落的影响（国人作品）
本文由熊志强编译，董小橙、江舜尧编辑。
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导 读
在森林生态系统中，有关同属和异种相邻植物对土壤细菌和真菌群落的影响研究较少。在本研究中，作者选择了三个人工林的土壤微生物群落：单独栽培日本落叶松（Larix kaempferi），单独栽培长白落叶松（L. olgensis）以及两种植物共同栽培。然后，进行了为期两年的盆栽试验，探究了在两种不同的氮素浓度下，Larix kaempferi和L. olgensis种内和种间相互作用对植物根际微生物群落的影响。结果表明，三个人工林间细菌和真菌的β-多样性和组成有明显的差异。盆栽试验结果表明，在不施用氮肥条件下，日本落叶松（L. kaempferi）受同种近邻的影响较大，而与长白落叶松（L. olgensis）共同生长时，这种邻接影响效应减弱。在氮肥使用条件下，种内和种间植物互作的改变显著地影响了土壤的化学和生物学性质，与L. kaempferi和L. olgensis种间互作（KO）相比，L. kaempferi（KK）表现出较低的NH4+-N浓度，同时土壤微生物生物量（CMIC）和土壤碳氮生物量（NMIC）也都较低（P<0.05）。施氮增加KO根际土壤细菌和真菌α多样性。在β多样性方面，多元方差分析（PERMANOVA）表明，种间和种内互作对土壤微生物群落有显著的影响。两种植物和施肥对土壤微生物组成，特别是真菌群落有特殊的影响。L. olgensis同时施用氮肥增加了Ascomycota的相对丰度但减少了Basidiomycota的相对丰度。
论文ID
原名：Plant-plant interactions and N fertilization shape soil bacterial and fungal
communities
译名：植物-植物互作与施氮肥对土壤细菌和真菌群落的影响（国人作品）
期刊：Soil Biologyand Biochemistry
IF：4.926
发表时间：2019
通信作者：Chunyang Li
通信作者单位：杭州师范大学
实验设计
研究共分为两部分，其中第一部分选择了三种不同人工林的土壤样本，即单独栽培日本落叶松（Larix kaempferi），单独栽培长白落叶松（L. olgensis）以及两种植物共同栽培。在每个人工林中心设置10个样方(10 m×10 m)。从10个样方(1m×1m)中采集10个0~10 cm深度的土样，混合后形成复合土样，分成两份分别用于土壤理化及微生物多样性分析。
第二部分盆栽在中国科学院沈阳生态研究所清源森林生态试验站的空地上进行。盆栽实验中将两株幼苗相距10厘米(外径和高度分别为56厘米和33厘米)种植到每个塑料罐中。其中KK代表两株L. kaempferi种植在一个样点；KO代表一株L. kaempferi和一株L. olgensis种植在同一样点中；OO代表两株L. olgensis种植在一个样点中。其中设置施氮肥和不施用氮肥两种处理，一共设置32个样点。在施氮肥处理中分别在2014年5月，2014年6月，2015年5月和2015年6月分四次施用氮肥，每次施用氮肥5.1g尿素。同时设置单一种植盆栽实验，K代表单独种植L. kaempferi；O代表单独种植L. olgensis；共分6组，选择其中三组进行施用氮肥处理。结合人工林和盆栽试验的结果，可以更好地了解种内和种间植物相互作用对土壤细菌和真菌群落的影响。
实验内容
1 邻近效应指数
如图1所示，在施氮条件下，与长白落叶松（L. olgensis）相比，日本落叶松（L. kaempferi）更容易到受同种近邻的负面影响。而在施氮条件下，L. olgensis与L. kaempferi共同生长时，其负面效应减弱。在种间互作中，L. kaempferi的邻近效应指数（NEI）比L. olgensis的更负，说明L. kaempferi所受到的邻近效应较强。
图1 在不同植物互作中L. kaempferi和L. olgensis的邻近效应指数（NEI）。KK和KO分别代表L. kaempferi和L. olgensis在种内相互作用；K/KO和O/KO分别代表L. kaempferi和L. olgensis在种间相互作用；N+和N-分别代表使用氮肥和不施用氮肥；负NEI值表示植物受到临近植物的负面影响。
2 土壤性质变化
混交林土壤中NH4+、CMic和NMic含量高于两种单作人工林土壤。盆栽试验中，植物-植物互作对土壤性质（TN、NH4+和CMic）的影响大于施氮对土壤性质的影响。土壤pH、SOM和NO3-浓度受氮肥施肥和植物-植物互作的影响显著（表1）。施氮降低各处理根际土壤pH值。在施氮条件下，与KO相比KK的种内互作表现出较低的NH4+、CMic和NMic（表S2）。
表1 植物与植物相互作用及氮肥对土壤性质的影响。
AP代表有效磷(mg.kg-1)，SOM代表土壤有机质(g.kg-1)，TN代表总碳(g.kg-1)，CMic代表土壤微生物生物量(mg.kg-1)，NMic代表土壤微生物氮(mg.kg-1)。
表S2 盆栽试验中根际土壤化学和微生物特性的研究。
AP代表有效磷(mg.kg-1)，SOM代表土壤有机质(g.kg-1)，TN代表总碳(g.kg-1)，NH4+代表土壤铵(mg.kg-1), NO3-代表土壤硝酸盐(mg.kg-1),CMic代表土壤微生物生物量(mg.kg-1)，NMic代表土壤微生物氮(mg.kg-1)，PMic代表土壤碳磷生物量(mg.kg-1)。K和O 分别代表Larix kaempferi和L. olgensis。KK和OO分别代表Larix kaempferi和L. olgensis种内竞争。KO这两种物种的种间竞争。同一行中不同小写字母后面的值在p<0.05时有显着性差异。
3 丰度和α多样性
在3个人工林和盆栽试验中，土壤样品的细菌群落以Protebacteria，Acidobacteria以及Actinobacteria为主，真菌群落以Basidiomycota和Ascomycota 为主（图2-3）。在盆栽施肥条件下，KO和OO中Basidiomycota的丰度明显低于KK，而Ascomycota的丰度则明显高于KK（图3）。在三个人工林的土壤样品中，细菌群落和真菌群落的平均Shannon值分别为5.98和2.52，种内和种间植物相互作用对细菌和真菌转移没有任何影响（P>0.05）。在单株盆栽根际土壤中，氮肥处理对细菌和真菌多样性影响不显著（P>0.05，图4a，图5a）。然而，N处理提高了细菌多样性（P<0.001，图4b）和KO处理中根际土真菌多样性（P<0.05，图5b）。对细菌多样性的影响因相互作用所涉及的植物种类而异（P<0.001，图4b）。例如，与KO（P<0.001）和OO（P<0.001）相比，KK的根际土壤细菌多样性较低。
图2 施肥对根际土壤细菌群落分类组成的影响。a代表单株盆栽根际土壤（没有植物间的相互作用）；b代表两种植物盆栽根际土壤；KK，KO，OO分别代表L. kaempferi+L. kaempferi，L. kaempferi+L. olgensis以及L. olgensis+L. olgensis；N+和N-分别代表使用氮肥和不施用氮肥，对于细菌而言，仅显示相对丰度>1%的细菌门。
图3 施肥对根际土壤真菌群落分类组成的影响。a代表单株盆栽根际土壤（没有植物间的相互作用）；b代表两种植物盆栽根际土壤；不同字母代表同图2所示，对于真菌而言，仅显示相对丰度>1%的真菌门。
图4 不同植物与植物互作对施肥条件下根际土壤细菌α多样性(Shannon指数)的影响。a代表单株盆栽根际土壤（没有植物间的相互作用）；b代表两种植物盆栽根际土壤（存在种间和种内互作）；不同字母代表同图2所示。
图5 不同植物与植物互作对施肥条件下根际土壤真菌α多样性(Shannon指数)的影响。a代表单株盆栽根际土壤（没有植物间的相互作用）；b代表两种植物盆栽根际土壤（存在种间和种内互作）；不同字母代表同图2所示。
4 β多样性
PCoA表明，人工林土壤中含有不同的真菌成分（图S3）。在盆栽试验中，KK的细菌和真菌群落与KO、OO和N肥的群落不同（图S4）。种内和种间交互作用对三个人工林土壤细菌和真菌群落结构有显著影响（非参数多元方差分析PERMANOVA，P<0.01，表2）。在双盆栽根际土壤中，植物-植物相互作用和氮处理对细菌和真菌群落组成均有显著影响（P<0.01）。基于PERMANOVA分析表明，KK根际土壤中细菌和真菌群落的结构与KO和OO的不同（P<0.05）。
图S3 基于Bray-Curtis距离的三个人工林细菌(a)和真菌(b)群落结构的主坐标分析(PCoA)排序。
图S4 基于Bray-Curtis距离对细菌(a)和真菌(b)群落结构的单一植物盆栽(没有植物-植物相互作用)以及细菌(c)和真菌(d)群落结构在双植物盆栽的主坐标分析(PCoA)排序。
表2 基于Bray-Curtis距离的999排列的PERMANOVA试验概述。
当一株植物分离生长时，我们分析了物种的影响，当生长在种内或种间的相互作用时，我们分析了植物相互作用的效果。
5 分类成分
从门到属，这三个人工林显示了它们对细菌和真菌成分的特殊影响。在单株根际土壤中，施氮处理可降低Ktedonobacterales和Spjeomonadales等细菌的丰度（图6a，c）。在双株盆栽根际土壤中，施氮显着地增加了Gemmatimonadales，Xanthomonadales，Propionibacteriales，Methylophilales以及JG37-AG-4的丰度，然而Acidobacteria门中的Solibacterales，Blastocatellales和Subgroup 6以及其他细菌目如Rhodocyclales和Rhodospirillales相对丰度降低（图7a）。在双株盆栽条件下，真菌门Basidiomycota中的Tritirachiomycetes科以及Boletales目的新队丰度降低，但Ascomycota门的丰度却有所增加（如Hypocreales）（图7b）。
图6 细菌（a和b）和真菌（c和d）在单盆栽不同处理（施用N肥N+，不施用N肥N-）土壤之间的不同丰度变化。不考虑植物种类（a和b，一级分类：N处理；二级分类：物种），不考虑N处理（a和b，一级分类：物种；二级分类：N处理），采用LEfSe分析。
图7 两种植物盆栽中细菌（a）和真菌（b）类群在不同处理（N+）和对照（N-）之间的变化。不考虑植物与植物的相互作用（一级分类：N处理；二级分类：植物-植物相互作用）。
在盆栽试验中，在不考虑施肥条件下，我们还鉴定了细菌和真菌类群对物种和植物相互作用的响应（图6b，d，图8）。与O的根际土壤相比，在K的根际土壤中，Rhodospirillales，Rhizobiales，Acidimicrobiales以及Acidobacteriales的相对丰度较高（图6c）。在真菌分类中，L. olgensis中富含有Ascomycota，而Basidiomycota更倾向于与L. kaempferi相互关联（图6d）。在双植物盆栽条件下，KK土壤中细菌种类较多，而放线菌在KO土壤中较为普遍（图8a）。Firmicutes，Chloroflexi和Planctomycetes等细菌门在OO土壤中相对丰度更大（图8a）。在KK的根际土壤中，Basidiomycota门普遍较丰富，而Ascomycota在OO的根际土壤中较为丰富。此外，在KO的根际土壤中，Microascales和Hymenochaetales也变得更加丰富。
图8 种内和种间两种盆栽中不同丰度变化的细菌（a）和真菌（b）类群。
结 论
本研究结果表明，两种落叶松混交林改善了土壤的某些化学参数，增加了微生物量。在盆栽试验中，我们观察到，将L. olgensis引入到有单独种植L. kaempferi的土壤中，可以改善土壤的化学条件，并引起土壤微生物群落组成，丰富度以及多样性发生改变，尤其是对真菌群落的影响。L. olgensis的引入使得优势微生物由Basidiomycota转变为Ascomycota。在种间相互作用过程中，L. olgensis对于土壤微生物群落的影响要大于L. kaempferi。同源近邻和异源近邻对植物的相互作用表现出不同的影响，包括土壤微生物的改变，这可能是为了更好地调动资源。建议使用混合植物栽培，以恢复退化的土地或提高种植园的生产力。本研究揭示的土壤微生物群落的变化也暗示着土壤微生物功能的变化。然而，要揭示土壤微生物在介导或影响植物-植物相互作用中的作用，还需要进一步的研究。这些知识对于充分理解植物-土壤-微生物的关系是至关重要的。
评 论
在研究前提出三点要解决的研究问题，即不同植物对土著微生物的影响情况以及那些微生物受影响较大？在种间和种内互作是都影响土壤真菌和土壤细菌组成？如果施氮对种内和种间植物互作有不同的影响，施氮和植物互作对根际土壤群落有何影响？本研究中，作者通过选择不同植物类型，进行植物单一栽培以及植物互作两种栽培方式，探究了不同的人工林有特定的细菌和真菌群落的影响以及施用N肥对微生物类群的直接和间接影响。基于作者的研究，提出了在提高土地和种植园生产力过程中的一种新的栽培模式，在明确植物互作对土壤微生物影响的同时，为提高土壤肥力提供了新的思路。评价仅是小编的个人看法，欢迎大家一起进行讨论。
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