农业种植方式和施肥方式会影响异化硝酸盐还原过程中的微生物活性：来自宏基因组测序和15N同位素特征的见解

《Plant and Soil》：Agricultural cropping practices and fertilization affects microbial activity of dissimilatory nitrate reduction process: insights from metagenomics sequencing and 15N isotopic signatures

维持农业集约化中的食物生产与氮素减损，研究间作与施肥互作对土壤氮转化的影响。采用15N同位素示踪结合定量PCR和宏基因组测序，揭示大豆-玉米间作系统在低有机肥下显著提升DNRA速率（+105%）及nrfA基因丰度（+346%），关键驱动因素为土壤硝酸盐浓度（9.3%）和nrfA基因（11.2%），21个高质量MAGs中Pedosphaerales、Streptomycetaceae、Burkholderiales的MAGs（115、12、91）主导DNRA过程。间作结合低有机肥可促进氮素循环可持续性，为优化氮肥管理提供理论依据。

摘要

目的

在提高农业集约化的同时保持粮食生产并减少氮损失是主要挑战。对于硝酸盐转化途径而言，增加异化硝酸盐氮还原（DNRA）过程的比例有助于氮的保存。间作作为一种有效的种植系统，可以促进农业的可持续发展。然而，间作与施肥相互作用如何影响农业土壤中的氮转化过程的具体机制仍很大程度上尚未明确。

方法

采用¹⁵N同位素追踪结合定量PCR和宏基因组测序技术，研究了中国西南地区采用两种种植系统和五种施肥处理方式的大豆田中的氮转化速率和基因丰度。

结果

我们发现，种植系统与施肥方式共同影响了微生物的氮循环。在低有机肥施用条件下，大豆-玉米间作显著提高了DNRA速率（提高了105%）。此外，在低有机肥施用条件下，间作中的DNRA相关基因的丰度比单作更高（增加了346%）。随机森林分析表明，DNRA过程主要受土壤中NO₃^?浓度（9.3%）和基因（11.2%）的调控。进一步分析显示，21个高质量的宏基因组组装基因组（MAGs）参与了氮循环途径，其中MAG115、MAG12和MAG91被确定为关键基因组，它们分别属于Pedosphaerales、Streptomycetaceae和Burkholderiales门，对DNRA过程起驱动作用。

结论

总体而言，我们的研究结果表明，低有机肥投入下的间作可以促进DNRA速率，从而提高氮的可持续利用。这些发现为在农业集约化背景下制定合理的氮肥管理和种植系统提供了基础。

图形摘要