施肥对草地土壤核心微生物组的影响：田间丰度与体外生长情况

《Environmental Microbiology Reports》：Impact of Fertilisation on the Bacterial Core Microbiome of Grassland Soils: Abundance in the Field and Growth In Vitro

本研究通过16S rRNA测序和体外生长实验，分析了不同有机肥（猪粪、牛粪、沼气消化物）对草地土壤细菌微生物群的影响。发现猪粪处理显著改变微生物组成，并筛选出Bradyrhizobium、Nocardioides等标志菌，其体外生长实验结果与田间丰度变化一致，表明可利用这些菌作为肥效评估的生物标志物。

　　土壤微生物群落对于维持生态系统的功能和服务至关重要，包括植物生长、养分循环、碳封存和水净化等。随着人类活动的增加，土壤微生物群落的多样性和活动模式可能会发生显著变化，从而影响土壤生态系统的功能稳定性。本研究探讨了不同有机施肥制度对草地生态系统中细菌土壤微生物群落组成的影响，并通过16S rRNA基因扩增子测序以及可培养微生物的体外生长实验，分析了施肥对微生物群落结构和功能的潜在影响。

研究的背景源于对土壤微生物群落如何响应农业实践的兴趣，尤其是在全球范围内对可持续农业的需求日益增长。土壤微生物群落不仅是生态系统功能的生物驱动因素，还在全球健康中扮演着重要角色。许多土壤微生物携带与抗微生物药物生产相关的生物合成基因簇，其多样性对于应对当前的抗微生物耐药性危机具有重要意义。因此，了解施肥对土壤微生物群落的影响，有助于开发更可持续的农业管理方法，以维持土壤健康并减少环境影响。

研究团队选择了德国施瓦本阿尔卑斯山地区的草地生态系统作为研究对象，采集了不同施肥制度下的土壤样本。这些施肥制度包括猪粪（PS）、牛粪（CM）、沼气消化残渣（BD）以及仅通过偶尔放牧获得的对照土壤（CS）。样本采集后，进行了DNA提取和16S rRNA基因扩增子测序，获得了大量的序列数据，从中识别出多种细菌分类单元（ASVs）。结果显示，尽管不同施肥制度下存在显著的微生物群落结构变化，但大多数分类单元在所有施肥制度中都有所共享，且它们的均匀度没有显著差异。这表明，尽管施肥可能改变某些细菌的丰度，但土壤中仍存在大量共同的微生物组成。

进一步的分析表明，某些细菌类群与特定的施肥制度存在显著关联。例如，通过MaAsLin2模型，研究团队识别了多个潜在的微生物生物标志物，这些生物标志物在不同施肥条件下表现出不同的丰度变化。其中，一些细菌在PS施肥条件下表现出更高的丰度，而另一些则在对照土壤中更为常见。这种差异可能与不同施肥制度提供的营养条件、土壤理化性质以及微生物之间的相互作用有关。此外，研究还发现，PS对某些可培养的微生物具有显著的抑制作用，而对另一些则促进其生长，这种现象在体外实验中得到了验证。

研究团队还通过体外培养实验，测试了这些潜在生物标志物的生长情况。他们选择了几种具有代表性的可培养细菌，包括*Bradyrhizobium japonicum*、*Nocardioides albus*和*Solirubrobacter pauli*，并将其在含有PS的培养基中进行培养。实验结果表明，PS对*Bradyrhizobium japonicum*的生长有抑制作用，而对*Nocardioides albus*和*Solirubrobacter pauli*则表现出促进作用。这说明PS可能通过改变土壤的营养条件和微生物间的相互作用，影响了这些细菌的生长特性。

在功能层面，研究还利用PICRUSt2工具预测了这些微生物在不同施肥条件下的功能潜力。结果表明，PS显著影响了与碳水化合物、氮和硫代谢相关的功能基因，这可能意味着PS改变了土壤微生物的功能结构，进而影响了土壤的养分循环和生态系统服务。例如，*Bradyrhizobium*这类固氮菌在PS施肥条件下丰度降低，这可能与植物根系分泌物的调控有关，而根系分泌物的变化可能受到氮素输入的影响。

此外，研究还发现，不同施肥制度对土壤微生物的生长特性产生了不同的影响。一些微生物在高营养条件下表现出更高的生长速率和生物量，而另一些则在低营养条件下更为常见。这种现象可能与微生物的营养策略有关，例如寡营养型（oligotrophs）和富营养型（copiotrophs）之间的差异。寡营养型微生物通常在资源有限的环境中更为活跃，而富营养型微生物则在资源丰富的环境中更易繁殖。因此，PS这种高营养的有机肥可能促进了某些富营养型微生物的生长，而抑制了某些寡营养型微生物的生长。

值得注意的是，尽管体外实验能够提供关于微生物生长特性的直接证据，但这些实验的结果可能受到多种因素的影响，包括培养条件、微生物之间的相互作用以及个体菌株的遗传变异。因此，研究团队强调，未来的实验应结合更多的自然条件，例如使用原生土壤菌株进行培养，以更准确地模拟实际的土壤环境。同时，他们也指出，尽管当前的研究提供了重要的初步数据，但仍需进一步探索不同施肥制度对土壤微生物功能的具体机制。

综上所述，本研究通过结合高通量测序和体外培养实验，揭示了有机施肥对草地土壤微生物群落结构和功能的复杂影响。这些发现不仅有助于理解施肥如何改变土壤生态系统的微生物组成，还为开发更有效的土壤生物监测方法和优化农业管理实践提供了科学依据。未来的研究应继续深入探讨微生物与环境因素之间的相互作用，以更好地指导可持续农业的发展。