施肥系统对韭葱根际微生物组的影响：宏基因组学揭示生物肥料提升土壤健康与可持续农业的潜力

为解决化学肥料(CF)威胁土壤微生物多样性及可持续农业问题，研究人员通过鸟枪法宏基因组学分析生物肥料(BF)和CF对韭葱(Allium ampeloprasum)根际微生物组的影响。结果表明，BF处理显著增加微生物多样性及有益菌群(如放线菌门Actinobacteria和变形菌门Pseudomonadota)，并富集与养分循环、胁迫耐受相关的功能基因。BF为替代CF、提升土壤健康和支持粮食安全生产提供了可持续策略。

　　

长期依赖化学肥料的传统农业实践虽能提高作物产量，却威胁土壤健康及微生物多样性，破坏农业可持续性。生物肥料作为环境友好型替代方案，通过促进有益微生物增殖、改善土壤结构和功能，支持生态平衡和粮食安全生产。联合国2030年可持续发展目标（SDG 2）强调消除饥饿、促进可持续农业和保障粮食安全的重要性，而化学肥料的使用带来的环境与健康风险促使人们寻找更可行的解决方案。韭葱（Allium ampeloprasum）作为富含维生素、抗氧化剂和膳食纤维的重要蔬菜作物，其根际微生物组在维持植物健康、抑制病原体和增强抗逆性方面具有关键作用。然而，在半干旱环境中，生物肥料与化学肥料对韭葱根际微生物多样性及群落结构的影响尚不清晰。

为此，研究人员在《Environmental Microbiome》上发表了一项研究，采用鸟枪法宏基因组学方法，解密施肥系统对韭葱根际微生物组的影响。该研究不仅揭示了生物肥料在提升微生物多样性和功能方面的优势，还为可持续农业实践提供了科学依据。

研究主要采用了以下关键技术方法：

从南非Gauteng省Rosaly农场三个试验地块（化学肥料处理G1、生物肥料处理G2和未耕种 bulk soil G3）采集韭葱根际土壤样本，每地块四个生物学重复，共12个样本；使用DNeasy? PowerSoil Pro Kit提取土壤总DNA，通过Illumina NovaSeq X Plus平台进行鸟枪法宏基因组测序（PE 150）；利用Fastp进行数据质控，Bowtie2去除宿主污染，MEGAHIT进行序列组装，MetaGeneMark预测开放阅读框（ORF）；通过DIAMOND比对Micro_NR、KEGG和PHI数据库进行物种和功能注释，并使用LCA算法进行物种分类；采用R语言“vegan”包进行多样性分析（Chao1、Shannon、Evenness指数），ANOSIM和PCA/PCo分析β多样性，冗余分析（RDA）探究环境因子与微生物群落的关系。

结果分析

微生物群落结构组成分析

taxonomic分析显示，所有土壤样本均具有相同的核心微生物门，但生物肥料处理（G2）中独有Bacteroidota和Verrucomicrobiota门。G2中以Actinobacteria和Pseudomonadota为主，G1中Pseudomonadota占优，而G3（bulk soil）中Actinobacteria和Chloroflexota最丰富。在属水平上，G2独有Dyadobacter、Verrucomicrobium、Streptomyces和Haliangium等有益菌属。真菌门Ascomycota仅在G2中显著富集。PCA分析表明，不同处理间微生物群落结构存在显著差异（轴1解释93.81%变异），且病害发生率在G2中最低（以细菌性叶枯病为主），G1和G3中较高（如软腐病和枯萎病）。

微生物多样性评估

Alpha多样性指数（Chao1、Shannon、Evenness）在门、科、属水平上无显著差异（Kruskal-Wallis p>0.05），但G2的丰富度和多样性最高，G1最低。Beta多样性（PCoA基于Bray-Curtis相异矩阵）显示样本间存在中度分离（R=0.21），但组间差异不显著（ANOSIM p=0.19），表明显著差异主要源于施肥处理而非随机变异。

环境因子对微生物群落的影响

RDA分析表明，土壤理化性质显著影响微生物属水平群落结构（伪典型相关系数1.0）。总氮（Total N）和碳（C）是主要环境驱动因子，分别解释90.2%和9.64%的变异。镁（Mg）和pH与Arthrobacter、Pseudomonas等属正相关，而硝酸盐（N-NO₃）、铵盐（N-NH₄）和总氮与Streptomyces、Variovorax等属正相关。Monte Carlo置换检验证实总氮是影响微生物结构的最显著因子（p=0.17）。

功能基因谱分析

宏基因组功能注释揭示了与胁迫耐受（如aqpZ、otsB、gpx）、养分获取（如nifQ、appA、phzD）和植物生长促进（如gumD、wza）相关的基因。G2中富集与抗氧化胁迫（gpx）、磷 solubilization（appA）和铁获取（fepA）相关的基因，而G1中与渗透调节（betA）和氮固定辅助（nifU）相关的基因较高。PERMANOVA显示功能特征谱在组间存在适度差异，G2的基因丰富度和多样性最高。PCA分析进一步证实功能基因组成受施肥处理影响（轴1解释79.14%变异）。

讨论与结论

该研究通过鸟枪法宏基因组学首次系统解析了生物肥料和化学肥料对韭葱根际微生物组的影响。生物肥料处理（G2）显著提升了微生物多样性、有益菌群（如Actinobacteria、Pseudomonadota）和功能基因（涉及养分循环、胁迫耐受和病原抗性）的丰度，而化学肥料（G1）导致微生物多样性降低和病害发生率升高。环境因子（尤其是总氮和碳）是驱动微生物群落结构变化的关键。

研究表明，生物肥料通过招募植物促生长菌（PGPR）、增强养分 solubilization 和循环、改善土壤理化性质，为可持续农业提供了可行路径。其应用不仅能减少化学肥料的环境污染，还能支持土壤健康、作物抗逆性和粮食安全生产，助力实现SDG 2目标。未来研究需聚焦未培养微生物的功能探索及生物肥料在大田条件下的长期效应。

总之，生物肥料作为化学肥料的可持续替代方案，在维持微生物平衡、促进植物健康和保障农业resilience方面具有重要实践意义。